谷歌到底有無實現“量子霸權”？IBM 專家：谷歌是錯的_風聞

近日，谷歌據傳實現“量子霸權”(quantum supremacy) 的消息引發轟動。事件目前還在持續發酵，現已出現了包括 IBM 量子計算專家在內的“質疑派”。

事情的起因是，**據英國《金融時報》9 月 20 日報道，一篇證明谷歌實現“量子霸權”的論文在 NASA 艾姆斯研究中心 (Ames Research Center) 網站上短暫發表，該中心的一些研究人員也是這篇論文的作者。**在論文被刪除之前，很多人下載了這篇論文，現在文章仍在網上流傳。

“量子霸權”是量子計算機領域的一大里程碑目標，指的是量子計算機的計算能力超越傳統計算機。其中，一個常被當作量子霸權的重要指標是量子比特 (Qubit) 數量，有學者認為，大概 50 個量子比特左右，量子計算機就能達到“量子霸權”。

根據論文內容，**這家公司已製造出 53 量子比特數的量子計算機，**計算能力超經典計算機，實現了“量子霸權”。

圖｜此次論文（來源：谷歌）

揭秘谷歌量子計算野心

量子計算機的目標是利用量子力學的奇特之處來進行一些經典計算機無法完成的計算。傳統計算機依賴於可以設置為 0 或 1 的“位”信息，而量子計算機使用量子位元，量子位元可以設置為 0、1，或者同時設置為 0 和 1 的任意組合，這得益於量子力學。這也使得量子計算機能夠同時處理大量輸入，例如，一台 10 量子位量子計算機可以一次處理 210 或 1024 個可能的輸入，而不是一次分析一個輸入。

**達到“量子霸權”的量子計算機將給人類文明帶來重要影響，**例如實現更快的 AI、加速新藥研發等等，不過，它也會對現有加密技術提出重大挑戰：超強算力可以實現對金融交易加密的暴力破解。

圖丨加州大學聖塔芭芭拉分校教授 John Martinis，負責領導實驗室進行量子計算機的硬件及芯片設計。（圖片來源：DeepTech）

谷歌的“量子霸權”計劃是由加利福尼亞大學聖巴巴拉分校的物理學家約翰·馬丁尼斯（John Martinis）主導，並且已經研究多年。DeepTech 曾拜訪谷歌神秘的 quantum AI Lab，並採訪過這位谷歌量子計算的掌門人，瞭解到谷歌之所以對量子計算機深感興趣，主要有兩個層次的需求：

一是 Google 在全球擁有不少數據中心，希望通過高效能的運算處理器或計算方法來為用户提供更快速的網絡服務；

其次，希望藉由佈局各種前瞻、突破性的技術，以維持其在商業或技術上的領先優勢。

當時，約翰·馬丁尼斯對 DeepTech 透露，“實驗室有三個主要的研究領域，第一個是研究通用型量子計算機（universal quantum computer），第二個是連續性模擬器（continuous simulator），最後一個則是量子退火（quantum annealer），有點類似 D-Wave 做的事。”

圖丨谷歌的 quantum A.I. Lab隱身在聖塔芭芭拉的平凡辦公室內。（來源：DeepTech）

**但約翰·馬丁尼斯尚未針對此次“量子霸權”實現發表言論。**這次論文之前，谷歌曾立下“flag”稱，在 2018 年年底會實現“量子霸權”。去年這一目標並未實現。

直到上週末，隨着論文的曝光（現在看來很可能是意外曝光），谷歌實現“量子霸權”的進展再度傳起。

**據該論文的信息，谷歌創建了一個名為 Sycamore 的量子計算機，包含 53 個量子比特。**研究人員用它在 200 秒內執行了一系列操作，而頂尖超算 Summit 完成相同超算則需要 10,000 年。

（來源：谷歌 / NASA）

“相對於所有已知的經典算法而言，‘量子霸權’都是一次巨大的提速，它的實現預示了人們期待已久的計算範例的到來，”最新論文中寫道。

樂觀派看到新希望

谷歌的這篇論文標題為“基於可編程超導處理器的量子至上性”（Quantum supremacy using a programmable superconducting processor）。文中提到：**“據我們所知，該實驗標誌着只能在量子處理器上執行的計算誕生。”**此外，谷歌預計，量子計算機的性能將以“雙指數速率”增長，遠超主宰經典計算機的摩爾定律。

論文一經曝光，有相當多對谷歌這一結果持樂觀態度的聲音。

英特爾量子硬件總監吉姆·克萊克（Jim Clake）表示：“隨着我們繼續提高量子計算的潛力，谷歌最近實現量子霸權的最新進展是一個明顯的里程碑。我們與業界一起正在快速推進，以實現量子計算的真正潛力。”

南加州大學的丹尼爾·裏達爾（Daniel Lidar）也稱讚谷歌減少“串擾”（crosstalk）問題的方式，在這種情況下，量子計算機的量子位會相互干擾。他對《金融時報》表示：“谷歌已經展示了通往可擴展量子計算的道路。一旦擁有一台經過完全糾錯的量子計算機，那就無敵了。”

Chad Rigetti 是舊金山裏量子計算新星 Rigetti Computing 的創始人兼首席執行官，該公司正在開發自己的量子計算機，他説：“這是一項偉大的科學成就，谷歌宣佈了他們的成果。”他指出，谷歌幾年前曾詳細説明了它將如何達到量子霸權。

（來源：Rigetti Computing）

加州大學戴維斯分校 (University of California, Davis) 的數學家 Greg Kuperberg 表示，谷歌這一進展狠狠地駁斥了“製造量子計算機是不可能的”這一觀點。

去年年底，由美國國家科學院、工程院和醫學院聯合組建的專家委員會發布了一份長達 205 頁的報告，名為“Quantum Computing: Progress and Prospects（量子計算：成果與展望）”，旨在提供“一個獨立的評估報告，分析關於建造一個能解決現實世界問題的實用量子計算機的可行性”。

報告的結論與我們在某些媒體上讀到的關於量子計算的美好願景形成強烈對比，你可能暢想一台功能強大無比的量子計算機即將在 5 到 10 年後面世。但這一可能性微乎其微。該報告結論曾給量子計算機發展潑了不少冷水。

消極派質疑其通用性

對於谷歌這次達到“量子霸權”的論文結果，倫敦大學學院的物理學家喬納森·奧本海姆（Jonathan Oppenheim）在推特上寫道：“雖然這是一個里程碑，但要創造一台能計算出有用信息的量子計算機，人們還有很長的路要走。”

此次進展中的一個疑問在於，**谷歌執行的具體計算沒有已知的用途，或不足以證實這個機器的通用性。**這也是 IBM 的研究部主管達里奧·吉爾（Dario Gil）質疑谷歌這一進展的出發點。

圖 | Dario Gil 出席《麻省理工科技評論》活動 EmTech（來源：EmTech）

他在接受《金融時報》採訪時表示，谷歌聲稱已經實現量子霸權的言論是錯誤的（“just plain wrong”）。他認為谷歌的系統是專門用於解決單個問題的專用硬件，沒有證明通用性，“這與 IBM 所做的不同”。

達里奧·吉爾也回覆《麻省理工科技評論》表示：“量子計算機永遠不會有遠勝於經典計算機的絕對‘霸權’地位，兩者各有千秋，各司其職，對於許多問題，經典計算機將仍然是使用的最佳工具。”

現在，IBM 也正在投入大量人力、物力研發量子計算機，不過他們使用的一個衡量標準是**“量子優勢”（quantum advantage）**——“在傳統計算機能力範疇內量子計算機的優勢”——而非量子霸權。有趣的是，IBM 就在谷歌“量子霸權”論文流出的幾天前，推出了 53 量子位的量子計算系統，據介紹同樣刷新了世界紀錄，且客户可以在今年 10 月就能真實地在線使用該計算系統。

​**目前，構建量子計算機一個嚴峻挑戰是糾錯問題。**對於量子計算機來説，即使是很小的温度變化或微小的振動也會破壞量子比特的微妙狀態。在任何時間尺度內維持量子比特都非常困難；它們傾向於“退相干”，也就是説失去其微妙的量子性質，就如煙圈在最輕微的氣流分解一樣。而量子比特越多，這兩個問題的解決就變得越困難。

“如果你有 50 或 100 個量子比特，並且他們確實工作得很好，有完全糾錯能力，你就可以做一些‘不可能的計算’，這些計算現在或以前都不能在任何經典計算機上覆制，”耶魯大學教授、Quantum Circuits 公司的創始人 Robert Schoelkopf 曾經如此表示，“量子計算的另一面是它存在着指數級的出錯概率。”

另一個值得注意的原因是，**即使是具有完美功能的量子計算機，其實用性可能也並不明顯。**它不會簡單地加快你給它的任何任務；事實上，對於許多計算來説，它比傳統機器要慢。迄今為止，只有少數算法在量子計算機顯然具有優勢的情況下被設計出來。

有意思的是，吉爾表達了許多量子領域人士長期以來的擔憂：在圍繞量子霸權的所有宣傳和炒作之後，量子計算可能會經歷一次挫折，就****像從上世紀 70 年代一直困擾着人工智能領域的那次挫折一樣，直到最近十年，AI 才終於趕上了人們的期望。然而，谷歌的研究人員似乎很樂觀。在論文中，76 位作者宣稱：“我們離量子計算機有價值的短期應用只有一步之遙。”

截止目前，谷歌尚未正式回應“量子霸權”的實現。

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參考：

https://mp.weixin.qq.com/s/GozdS2-nF2fchcIRyKX0sg

https://www.theverge.com/2019/9/23/20879485/google-quantum-supremacy-qubits-nasa

https://www.sciencenews.org/article/rumors-hint-that-google-has-accomplished-quantum-supremacy_ 

https://www.technologyreview.com/f/614416/google-researchers-have-reportedly-achieved-quantum-supremacy/

https://arxiv.org/pdf/1807.10749.pdf

https://drive.google.com/file/d/19lv8p1fB47z1pEZVlfDXhop082Lc-kdD/view 

https://www.sciencemag.org/news/2019/09/quantum-computer-bests-all-conventional-computers-first-claim-supremacy