Hello Quantum！谷歌首次实现量子优越性，200秒=超算10000年，论文登上Nature

大数据文摘

发布于 2019-10-29 11:16:09

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尽管量子计算在上世纪80年代就被提出，但是其出现在人们视野里的时间并不长，普通大众对于量子物理的理解，似乎更类似一种“玄学”。

比如最近新闻爆出的“量子波动速读培训班”，就是打着“量子”的旗号，声称经过培训的小孩几分钟能读完几十万字的书。

其实这也难怪，目前对于量子计算的研究还处于尝试阶段，研究量子计算的巨头公司之间也在互相质疑，大众就更云里雾里了，然而最近谷歌却将量子计算带到了大众眼前，并引起了不小的波澜：

9月20日左右，谷歌在NASA上发表一篇来自谷歌研究员的论文，该论文声称谷歌已经实现“量子优越性（quantum supremacy）”，随后该论文被删除；
10月22日，IBM的研究者在arXiv上发表了一篇论文，称在超级计算机上模拟谷歌的量子电路进行计算根本不需要一万年，2 天半就能做到；
10月23日晚，似乎是对IBM的回应，《自然》（Nature）杂志在官网上放出了重磅消息：一个月前被NASA发表又火速删除的谷歌“量子优越性”论文重新发表，称其是量子领域中“Hello World”一样的里程碑事件。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5

上传又火速删除的谷歌“量子优越性”论文重新发表

谷歌在昨天发表的一篇论文中声称，超级计算机至少需要10000年才能完成的计算，其量子计算机在200秒内就可以完成。

这篇论文并非首发，上个月已经在NASA发出但是又火速删除，如今谷歌再度发出，并表示已经实现了自1980年代以来科学家们一直寻求的突破，即“量子优越性（quantum supremacy）”，它可以使新型量子计算机以当今技术无法想象的速度进行计算。

这个里程碑是在谷歌科学家John Martinis及其小组经过大约二十年的量子计算研究之后完成的，从单个超导量子比特到包括72个量子结构的系统，以及在Sycamore上的54个量子比特（有一个没有执行），它们利用了量子力学令人敬畏的神奇性质。

Sycamore处理器的照片

Martinis小组的一位研究员Ben Chiaro说：“选择该算法是为了利用设备的自然动态来强调量子计算机的优势。”也就是说，研究人员想要测试计算机容纳和快速处理大量复杂的非结构化数据的能力。

量子计算支持的超快速处理能力似乎预示着2019年已经迎来了人类自身甚至无法理解的技术性突破新时代。

“复杂的叠加状态”

Chiaro解释量子计算的优越性在于量子比特“复杂的叠加状态”：“我们执行了一组固定的操作，将53个量子比特纠缠为复杂的叠加状态，这种叠加状态对概率分布进行编码。”

Chiaro表示：“对于量子计算机，通过在数十微秒内对每个量子比特施加数十个控制脉冲序列即可完成此叠加状态的制备。我们可以在200秒内达到一百万次量子比特的计算。而对于传统计算机来说，计算这些运算的结果要困难得多，因为它需要计算处于2^53种可能中任何一种的概率，这就是为什么人们开始对量子计算感兴趣的原因，这是通过矩阵乘法完成的，随着矩阵变大，这对于经典计算机而言挑战极大。”

被比作莱特兄弟的首次飞机试飞

一些科学家将谷歌这项突破比作1903年怀特兄弟的首次飞机试飞，证明了即使还需要很多年，但是有些事情是有可能实现的。

“莱特兄弟的飞机并不是实用的飞机，”德克萨斯大学奥斯汀分校的计算机科学家Scott Aaronson说，“但是却证明了飞机的巨大潜力。”

尽管如此，一些研究人员告诫不要对谷歌的成就太过兴奋，在量子计算机可以移出研究实验室之前还需要做很多工作需要做，毕竟，现在一台量子机器的造价就是数百万美元。

IBM首先提出质疑，谷歌反驳

谷歌论文发表之后，9月下旬迅速被撤回，其中的原因成了一个谜，但这篇论文短暂的露面就足以引起“友商”的关注，他们认为谷歌在夸大成就。

Sundar Pichai（左）和一位谷歌研究员正在检测量子计算机

本周一，IBM就先发制人，对谷歌声称“超级计算机至少需要10000年才能完成的计算，其量子计算机在200秒内就可以完成”的说法提出异议。IBM指出，该计算在传统超级计算机上理论上也能在不到两天半的时间完成，而不是谷歌所说的10000年。

“这不是在争夺传统计算机概念上的最终和绝对支配地位。”位于纽约约克敦高地的IBM研究实验室负责人达里奥·吉尔（Dario Gil）说，他们正在那里建造自己的量子计算机。

其他研究人员也驳斥了谷歌“里程碑”的说法，因为该计算过于深奥，它使用量子机器生成随机数，但这并非能应用于其他领域。

尽管IBM质疑谷歌宣称所取得的成就，但Gil认为量子计算机确实离我们越来越近了。“到2020年，我们将能够利用量子计算机实现商业和科学上的竞争优势。”

与谷歌研究实验室中其它的前沿性研究一样，谷歌在量子计算机上取得的成就也得益于学术界的发力。2014年，谷歌聘请了曾在加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校从事量子计算工作的物理学家团队。

谷歌也回应了IBM的质疑，声称在论文发表时，量子计算可以在传统计算机上进行。“我们已经摆脱了传统计算机的束缚，走向了新的道路，”谷歌发言人在声明中说，“我们欢迎提高仿真技术的建议，尽管对我们来说，在实际的超级计算机上对其进行测试至关重要。”

谷歌量子计算机进行的计算表明，复杂的量子系统是可靠的，并且对于产生随机数谷歌也不同意IBM的说法，产生的随机数是具有实际用途的。

IBM的研究人员也不全是对谷歌的质疑，有些人认为，所有从事这种近乎神话般的工作的研究人员都应该获得尊重。从事IBM量子计算项目工作的Chad Rigetti说：“谷歌的成果不仅对谷歌，对整个科学界而言都是一项重大成就。”

并且Chad Rigetti还表示：“现在留给我们利用量子计算机去解决商业相关问题的时间已经不多了。”

谷歌：目前处于尝试阶段，还将深入研究

量子计算机是一个世纪以来对被称为“量子力学”的物理学类型进行研究的结果，它的运行方式与常规计算机完全不同。它依赖于某些物体在亚原子级或暴露于极冷状态下的行为弯曲方式实现，谷歌量子计算机内部就将金属冷至零下近460华氏度。

位于康涅狄格州纽黑文的耶鲁大学的罗伯特·斯科尔科普夫（Robert Schoelkopf）配备了一种制冷装置，可将超导量子比特冷却到刚好超过绝对零值。

业界普遍认同相信，总有一天，量子计算机将推动人工智能的发展，或者轻易破解对国家安全至关重要的计算机加密技术，因此，各个大国都将量子计算视为国家安全发展的重中之重。

但是首先要解决的是，必须证明量子计算机不能仅仅停留在理论层面。

传统计算机通过处理信息的“位”来执行计算，每个位用1或0计数，数十年来一直如此，要理解量子计算机的与众不同，还需要接受这样的观念：单个物体在极小或极冷的情况下可以同时表现为两个单独状态的物体。

通过利用变化，科学家可以构建一个量子比特（quantum bit,or qubit），它也能存储1和0，两个量子比特一次性能容纳四个值。随着量子比特数量的增加，量子计算机的功能也将成指数增加。

位于多伦多的计算量子公司Xanadu的一款室温量子芯片，能够基于光束中的信息开发量子比特。

早在上世纪80年代，理查德·费曼（Richard Feynman）就首次提出了这个想法，但是量子比特很脆弱，把它们连接在一起甚至需要花费数年时间。在过去几十年中，学术界、工业界和政府始终致力于量子计算，包括围绕光或电磁场粒子构建的系统，期望这些系统能捕获微小的带电粒子。

直到大约20年前，日本研究人员率先发明了“超导量子比特（superconducting qubits）”，能将某些金属冷却到极低的温度，从而给业界带来了希望，也促进了IBM，谷歌和Intel相关项目的提出与开发。

约翰·马丁尼斯（John Martinis）负责管理谷歌量子计算机的硬件部分，他表示：“我们基于量子力学中某些超乎寻常的原理构建了这种新型的量子计算机。”

他还说道：“当前，我们还处于尝试利用量子计算的阶段。”

谷歌首席执行官Sundar Pichai也表示：“量子计算将极大地补充我们在经典计算机上所做的工作，我们也将继续深入研究。量子在许多方面使计算全面发展，为我们提供了另一种表达宇宙语言，理解世界和人类的方式。不仅在‘1和0’中，而是在所有状态中：美丽、复杂且具有无限可能。”

巨头争夺量子霸权，资本随之而动

包括微软、Intel、IBM和谷歌在内的众多知名企业都在争夺量子计算领域的霸权地位，资本也是随之而动。

最近的一项调查显示，风险资本家向探索量子计算的初创企业的投资已经超过了4.5亿美元。

目前，中国已投资4亿美元在量子实验室的建设上，近年来申请的量子专利几乎是美国的两倍。特朗普政府今年也推出了自己的国家量子计划（National Quantum Initiative），承诺将斥资12亿美元用于包括计算机在内的量子研究。

掌握标准制定，才能真正实现“量子霸权”

研究量子计算的巨头之间的竞争主要在于测试标准，对于量子计算机的性能，目前国际上还没有一个广泛认可的评测标准，为了在未来的标准制定上抢占高地，各家有能力设计量子计算机的公司同时也在推行其测试标准。

永远让人迷惑的谷歌

领导谷歌拥有72个超导量子比特的量子计算机项目的物理学家约翰•马丁尼斯(John Martinis)为自己的东家站台，他认为解决一个传统计算机无法解决的问题是一个重要的的度量标准，因为谷歌自己测试的方法比较奇特——给量子计算机编程，看特定随机序列出现的概率会不会由于量子干扰而增大。

然而，加利福尼亚大学戴维斯分校的数学家Greg Kuperberg却批判，这种看似“神秘”的运算不会引入实用的量子计算机测试，谷歌就是在做 “做一些看着厉害实则完全无用的事情”。这也是IBM质疑谷歌的一个方面。

只看商业价值的Rigetti

而Rigetti公司的研究人员的目标则是证明量子计算机可以比传统计算机更准确、更快或更廉价地执行一些有用的任务，比如为对冲基金中金融资产之间复杂的相互作用建立模型。

Rigetti公司的创始人、物理学家Chad Rigetti认为，提供从技术转化到利益最短的路才是量子计算机的价值。

试图兼容的IBM

IBM的研究人员定义了一个名为“量子体积”的衡量标准，它可以在不与传统机器进行比较的情况下测试量子计算机的性能。它包括使用像谷歌所使用的随机序列计算来测试量子计算机，测试既依赖于量子比特的数量，也依赖于计算机在量子态模糊之前能够处理的计算周期的数量。

IBM的科学家们使用一台含有20个超导量子比特的机器，已经达到了16个量子的体积，并计划每年将其翻一番。

普林斯顿大学的对比测试

在Martonosi的测试中，基于5个量子比特离子的机器测试的准确率达90%，相比之下，基于超导量子比特的计算机准确率只有50%或更低。Martonosi说，这种差异反映的是技术当下的情况，而不是它们的潜力。例如，在超导机器中，每个量子比特只与相邻的量子比特相互作用，但是UMD机器中的每个离子都与所有其他离子相互作用，使其具有优势。

尽管各家有各家的说法，但是MIT的物理学家Aram Harrow却泼了一碰凉水，他认为从长远来看，这些方法都没什么用，他说：“量子计算的主要挑战仍然是寻找一种可以扩展到数千个量子比特的技术，而这些测试的指标只是针对小规模的量子比特。”

所以说，约翰·马丁尼斯（John Martinis）的那句话不仅适用于谷歌，而且适用于整个量子计算领域——“当前，我们还处于尝试利用量子计算的阶段”。