量子計算的“一個可能的時刻”！
作者 | 楊曉凡，Camel
編輯 | 唐里
在九月下旬，「谷歌實現量子優越性（quantum supremacy）」的消息占據了各大媒體的頭版頭條。
（注：國內大多媒體將 quantum supremacy 翻譯成「量子霸權」，無疑相比來講后者更能博大眾的眼球，谷歌官方認為“量子優越性”的翻譯更為準確，下文將全部使用“量子優越性”）
據英國《金融時報》等媒體報道[1] 稱，谷歌在一臺 53 比特的量子計算機上僅用 3分 20 秒便完成了在超級計算機上需要一萬年的計算，這是量子計算領域的一次巨大突破，一些圈內人士紛紛表示 「有一種即將親歷 2012 年 Hinton 發表 AlexNet 文章的感覺」、「或將迎來下一波科技浪潮」。
圖注：谷歌發表文章中，對量子優越性的證明。a）驗證基準測試方法。根據測得的位串和經典模擬預測的相應概率，計算出補丁電路，消除電路和完整電路的驗證值。盡管在復雜性方面存在巨大差異，但所有四個曲線之間的緊密對應關系證明了它們在優越性領域（ supremacy regime）中的使用是正確的。b）對于電路深度為20時，在量子處理器上獲得一百萬個樣本需要200秒，而在一百萬個內核上進行等保真度經典采樣將花費10,000年，對保真度的驗證將花費數百萬年。
針對這些報道，一個多月來，谷歌并沒有作出任何回應，且在新聞報道之前便從網上撤掉了相應的論文。10月21日，IBM發表博文 [2] 以及arXiv文章[3] 稱谷歌的實驗存在缺陷，作為對比的超算計算時間其實只需要2.5天。
圖注：IBM對谷歌的回應。分析預期的經典計算運行時間與“ Google Sycamore Circuits”的電路深度。藍色線估計了一個53量子位處理器的經典運行時間（電路深度為20時，運行時間為2.5天），而橙色線則估計了一個54量子位處理器的經典運行時間。
作為一切吹捧和質疑的回應，谷歌終于在今天（10月23日）正式在Nature上發表了他們的這項工作《Quantum supremacy using a programmable superconducting processor》[4]。
不僅如此，谷歌CEO 桑達爾·皮查伊（Sundar Pichai）還為此專門撰寫一篇文章，談論「量子計算里程碑的意義」[5]。
皮查伊與谷歌量子計算機 @ Santa Barbara lab
皮查伊在文中稱，“對于我們從事科學技術工作的人們來說，這項工作正是我們一直在等待的「hello，world」，是迄今為止使量子計算成為現實的最有意義的里程碑”。他表示，從今天的實驗室試驗到明天的實際應用可能還有很長的路要走，但這項工作的意義在于，它代表了量子計算世界的“一個可能的時刻”（a moment of possibility）。
除了皮查伊的文章外，谷歌量子人工智能實驗室首席科學家 John Martinis （量子硬件）與Sergio Boixo（量子理論）還聯合發表了一篇關于「量子優越性」的技術博客[6]，簡要介紹了他們的工作內容，包括實驗、處理器硬件、測試、應用以及接下來的目標。
那么「谷歌實現量子優越性」，是谷歌帶給人類的又一次革命，還是僅僅一次媒體炒作？或許時間將給出證明。
使用可編程超導處理器的量子優越性
物理學家談論“量子計算能做什么”這個問題已經超過 30 年了，但問題一直存在：研究它真的有用嗎？值得為此研究進行投資嗎？正像計算機的發明一樣，量子計算的研究也是一個大規模的研究，因此去制定一系列具有決定性的短期目標，以此來證明設計是否朝著正確的方向發展，是一個良好的工程實踐。
谷歌所提出的這項“短期目標”就是他們所稱之為的“量子優越性”（quantum supremacy）實驗，并以此作為指導來制造可編程且功能強大的量子計算機。
谷歌今天在《自然》雜志的“使用可編程超導處理器的量子優越性”（Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor）一文中發布了他們在“量子優越性”實驗中的最新結果。他們開發了一種名為“ Sycamore”的新型 54比特處理器，該處理器由快速、高保真量子邏輯門組成，以執行基準測試。由此構建的機器能夠在200秒內完成目標計算，而作為對比，要想產生類似的輸出將需要世界上最快的超級計算機一萬年的時間。
圖注：a）處理器的布局，顯示一個54量子位的矩形陣列（灰色），每個矩形都用耦合器（藍色）連接到最近的四個上。可以顯示不可操作的量子位。b，Sycamore 處理器的實物照片。
1、實驗內容
為了幫助理解實驗的內容，首先想象有一群剛剛入門的量子計算愛好者來到谷歌的量子計算實驗室參觀，然后想在谷歌的新量子處理器上運行一個量子算法試試效果。實驗室給他們提供了一張表，上面有處理器可以執行的最基礎的門操作，他們可以組合這些操作來編寫算法。由于每個門都有一定概率出錯，這些愛好者編寫的算法就需要有一定的規模限制，整個操作序列中參與的門加起來不可以超過1000個。假設這群人此前并沒有什么編程經驗，那么他們設計的操作序列看起來就很有可能是在一列隨機的門里走了一圈；可以把這個看作是量子計算機的“hello world”程序。由于這樣形成的隨機電路里沒有什么結構可以供經典算法利用，想要用經典計算機模擬這樣的量子電路的話就通常避免不了用超級計算機進行長時間計算。
量子計算機上的這些隨機量子電路的每次運行都會產生一串二進制數字，比如 0000101. 由于量子相干性的存在，即便量子電路是隨機的，只要重復這個實驗足夠多次，它們產生的二進制數字的出現的概率就會顯出一定的模式，有一些結果會更經常出現。想要找到這種隨機量子電路的輸出模式，在量子計算機上只不過是普通的任務，但如果想要用經典計算機模擬這種計算的話，隨著量子比特數量（寬度）的增加和門循環次數（深度）的增加，計算難度會以指數速度增加。
圖注：演示量子優越性的實驗過程
在實驗中，谷歌首先分別運行了12位量子比特到53位量子比特的隨機簡單電路，保持電路深度固定。他們測量了用經典計算機模擬時的計算性能，并和理論模型進行了對比。一旦確認了系統能正常工作，他們就會運行53位量子比特的隨機困難電路并增加深度，一直到經典模擬已經變得不可行為止。
圖注：根據 薛定諤-費曼算法繪制的量子優越性電路實驗結果示意圖，圖中自變量為量子比特數目和運行循環數量。圖中的紅色星是用經典計算驗證對應的實驗電路所需的時間。
這個實驗結果也成為了經過拓展的邱奇-圖靈論題（Church-Turing thesis）的首個反對證據。邱奇-圖靈論題指出，經典計算機可以高效地實現任何合理的計算模型。而在這個實驗中，谷歌已經首次證明了存在無法被經典計算機合理地模擬的量子運算，這也可以看做是谷歌已經打開了一個計算的新世界，等待我們進一步探索。
谷歌的量子優越性實驗是在Sycamore處理器上運行的，這是一個完全可編程的、具有54位量子比特的處理器。它具有二維的網格結構，其中每一個量子比特都和四個其它的量子比特相連接。受益于密集的連接，處理器芯片有很好的連接性，其中的量子比特的狀態可以很快地在整個處理器上傳遞、互動；處理器的整體狀態也就已經完全沒辦法用經典計算機做高效的仿真了。
谷歌設計的量子優越性實驗之所以能夠成功，還是要歸功于他們改進過的含有兩位量子比特的門，它具有更高的并行能力，即便當許多個門同時運行時也能可靠地帶來目前為止最高的性能。谷歌采用了一種新的控制節，它能夠關閉相鄰的量子比特之間的互動。這大大減少了這樣的多連接量子比特系統中的錯誤的數量。谷歌還優化了芯片的設計降低串擾，以及開發了新的控制校準方法，可以避免量子比特的缺陷；這都進一步提升了芯片的性能。
電路的結構是一個二維矩形網格，其中每一個量子比特都和四個其它的量子比特相連接。這個架構也帶有前向兼容性，可以和量子糾錯一共使用。54位量子比特從數量上已經相當驚人，但在谷歌看來，這也只不過是越來越強大的量子處理器之路上的第一步而已。
圖注：a）泡利誤差（黑色、綠色、藍色）和讀出誤差（橙色）的積分直方圖（經驗累積分布函數，ECDF），在隔離的量子位上（虛線）以及同時操作所有量子位時（實線）進行測量。每個分布的中值出現在垂直軸上的0.50處。平均值（平均值）如圖所示。b）熱圖，顯示了位于處理器布局中的單比特和二比特泡利誤差e1（cross）和e2（bar）， 顯示了同時運行的所有量子位的值。
為了確保量子計算機未來也能持續地發揮作用，谷歌需要現在就確認它采用的量子機理沒有什么基礎性的問題。通過實驗來探索理論的邊界是物理學研究中悠久的優良傳統，因為特殊的物理參數往往會勾勒出新的物理學范式，從而在實驗中體現為新的物理學現象。在之前的實驗中，谷歌的量子計算團隊已經發現，一直到大約1000維的狀態空間，量子機理的實際運行情況都符合他們的期待。這次，他們把實驗的規模擴大到了 10^16 維，然后發現所有機理仍然可以正常運轉。他們也測量了基礎的量子理論，他們測量了具有2位量子比特的門的錯誤率，發現它可以準確地預測完全達到了量子優越性的電路的測試結果。這說明，他們沒有遇到什么會導致谷歌的量子計算機性能下降的意外的物理現象；也就是說，他們的實驗提供了有力的證據，表明更復雜的量子計算機也可以遵循現有的理論運行。這也讓谷歌的量子計算團隊更有信心構建出更大規模的量子計算機。
Sycamore量子計算機完全可編程，而且可以運行通用的量子算法 。自從去年做出了量子優越性的結果以來，谷歌量子計算團隊就一直在努力做出近期應用方面的成果，包括量子物理模擬計算、量子化學方面，以及生成式機器學習和其它很多別的領域。
谷歌這支量子計算團隊未來有兩個主要的目標，兩個目標也都是要為量子計算找到有價值的應用領域。首先，未來他們希望讓其他的合作者、學術研究人員都有機會使用這樣的計算能力足以展現量子優越性的量子處理器，他們也同樣歡迎有興趣為今天的 NISQ 處理器開發算法、尋找應用場景的企業參與進來。創新的最重要來源永遠是有創意的研究人員們，在谷歌看來，如今他們已經有了新的計算資源，就希望能夠有更多的研究人員也加入到這個領域中來，并把創造出一些有用的東西作為他們的目標。
其次，谷歌也會在團隊和技術方面做長期持續的投資，盡快建造出一個具備容錯能力的量子計算機。這樣的設備能給許多有價值的應用帶來機會，比如，未來量子計算機有可能可以幫助我們設計新的材料，包括為電動汽車和飛機設計更輕的電池、可以更高效地生成化肥的催化劑（目前化肥生產的過程造成了全球碳排放的2%）、也可以找到更有效的藥品。真正達到這些任務所需的計算能力肯定還需要很多年的扎實的工程和科學研究，但在谷歌看來，這條道路已經非常清晰，他們已經迫不及待地邁步前行。
參考資料：
[1] 英國金融時報在9月20日對谷歌“量子優越性”的報道，https://www.ft.com/content/b9bb4e54-dbc1-11e9-8f9b-77216ebe1f17
[2] IBM 對谷歌“量子優越性”的回應博客 On “Quantum Supremacy”, https://www.ibm.com/blogs/research/2019/10/on-quantum-supremacy/
[3] IBM對谷歌“量子優越性”論文的驗證，發表在arXiv上, https://arxiv.org/pdf/1910.09534.pdf
[4] 量子優越性論文, https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5
[5] 谷歌CEO皮查伊撰寫文章“量子計算里程碑的意義”，https://www.blog.google/perspectives/sundar-pichai/what-our-quantum-computing-milestone-means/
[6] 量子優越性技術博客, https://ai.googleblog.com/2019/10/quantum-supremacy-using-programmable.html
