【基礎科研】Google的量子霸權是怎麼回事？（2019/09/25）_風聞

前天有讀者在訪客簿（順便提一下，請大家儘可能在文章下的留言欄做討論，只有在《UDN》的系統出問題，無法正常留言的前提下，才選擇訪客簿）上提問，説Google剛宣稱的“量子霸權”（“Quantum Supremacy”）是怎麼一回事？當時我説：“要嘛是謠言，要嘛是一個毫無實際意義的程序，專為創紀錄而創紀錄。”

現在有了更清楚的消息（參見Scott Aaronson的博客https://www.scottaaronson.com/blog/?p=4317；Aaronson是知名的量子計算專家，並且參與了Google的這個研究計劃），我可以給出更精確的答案，也就是上述兩個可能中的後者。這是一個毫無實際意義的結果，而且有相當嚴重的假大空成分。

首先，我們先解釋一下什麼是“量子霸權”；它指的是量子計算機在某個程序上能比現有的古典電腦高效許多。請注意，這個定義並不要求那個程序有任何實際意義或價值，所以我一開始就疑心Google團隊鑽的是這個漏洞。

結果果然是如此。Google選擇的程序是先隨機產生一串長度為N（Aaronson説N大約為20）的量子位元串列，其間可能有各式各樣的量子糾纏，然後不斷複製這個串列，再讓複製版塌縮形成長度為N的古典位元，那麼這些古典位元就是隨機但並不完全獨立，而是有由量子糾纏來決定的複雜相關性（Correlation）。這有什麼用呢？一點用處都沒有，就像你隨便建造出一個複雜而沒有規律的機器，然後説它在產生獨特的噪音上，有無可比擬的效率。

事實上，Google的這個“成就”，比毫無實用價值還要糟糕。要理解這一點，我們先回顧一下當前量子計算界的處境。現在的世界記錄是不到100個量子位元；但是這些位元很不穩定，非常容易與周圍的巨觀環境起作用而喪失量子態，這是我以前詳細討論過的量子退相干過程（Quantum Decoherence）。要知道計算的輸出（Output）是程序邏輯的結果，而不是量子噪音的後果，就必須有糾錯機制。

目前人類所知的量子糾錯機制，必須用上80-10000個原始的量子位元，才能產生1個穩定可靠的位元（叫做邏輯位元，Logical Bit）。世界記錄是連1個邏輯位元都沒有的。

Google的這個“突破”，第一個巧妙之處在於用的是內生的（Endogenous）隨機量子態，而不是事先指定的（亦即Exogenous，外源性的）串列。雖然Google團隊可以試圖去影響這些原始量子位元之間的糾纏，實際上是否成功，完全無法驗證。

Google用了50-60個量子位元來儲存這個量子串列，並且不斷複製再塌縮。這顯然並沒有解決糾錯的基本難關，其結果自然無法確認量子態在程序過程中被正確保存了，還是純屬噪音。

所以Google團隊就先用古典電腦算出他們計劃中的量子糾纏應該會產生的相關性，接著反覆地用量子計算機跑這個程序，一直到它產生同樣的相關性結果為止。這時他們比較兩者跑單次程序所花的時間，然後宣稱量子計算機大獲全勝。

至此，理工科的讀者應該理解到問題有多大。首先，相關性關係裏的自由度（Degrees of Freedom）遠低於原系統，所以只用相關性結果來驗證程序的正確性，完全可能是統計上的偶然。

但是更基本的毛病，在於Google的量子計算機並無法自行保證結果是正確的，只有在古典電腦已經給出結果之後，才能做比較。一個有相當大而且不可預知的可能性會輸出噪音的計算機，不止是沒有實用價值，根本就沒有任何意義。這是標準的假大空，不是學術界可以容許的做法。Google是一個商業機構，做虛偽廣告是本行，但是量子計算界不應該受商業資金的收買，學術道德也不能待價而沽。

【後注】因為Aaronson的博文對若干細節語焉不詳，我必須依照科學原理來做推測，現在有更新的文章，似乎是有一點差異，亦即谷歌的系統比我想象的還要簡單，連“複製“的那一步都做不到，而只是反覆地隨機產生量子位元，然而塌縮。這對接下來的評論並沒有影響，谷歌仍然是先射箭，再畫靶，而且也沒有糾錯機制，如果沒有古典電腦的驗證，就不知道結果是否正確。