谷歌声称已达到“量子霸权” ，但论文为何被“秒删”？

shuszhao

量子计算机用 3 分 20 秒完成的一项计算，全球最强大的超算 Summit 要花 1 万年。这个成果，来自 Google 最新的量子计算研究，发表在 NASA 官网上。论文宣布，“量子霸权”实现了。但NASA 没过多久便下架了这篇论文，但正因如此，人类反而对 Google 新的成果更加好奇了。

本文经AI新媒体量子位（IDbitAI）授权转载，作者栗子，原标题《200 秒=超算 1 万年，Google 实现「量子霸权」论文上架随即被撤回，引发全球热议》，转载请联系出处。
量子计算机用 3 分 20 秒完成的一项计算，全球最强大的超算 Summit 要花 1 万年。
这个成果，来自 Google 最新的量子计算研究，发表在 NASA 官网上。论文宣布，“量子霸权”实现了。
英国政府的量子技术顾问 Steve Brierley 说：[blockquote]
这是第一次有人证明，量子计算机的性能真的能超过经典计算机。
是个了不起的成就。[/blockquote]
另外，美国民主党的总统参选人杨安泽，推特转发了这则，引起强烈关注，一日便有 5100 人点赞：[blockquote]
大事啊，至少说明，没有什么破解不了的密码了。[/blockquote]

虽然，NASA 没过多久便下架了这篇论文，但正因如此，人类反而对 Google 新的成果更加好奇了。

一窥论文


NASA 匆匆撤下了论文，我们仍然能从网页缓存中一窥论文的内容。
Google 在论文摘要中说：[blockquote]
我们使用具有 53 个超导量子位的可编程处理器，占用状态空间为 253≈1016。重复实验的测量结果会采样相应的概率分布。
我们使用经典模拟进行验证。虽然我们的处理器大约需要 200 秒来采样一百万个量子电路实例，但是一台先进的超级计算机将需要大约 1 万年的时间来执行等效的任务。
相对于所有已知经典算法而言，这种巨大的提速在实验中实现了计算任务上的量子霸权，并预示了人们期待已久的计算范式的出现。[/blockquote]
在摘要中，Google 揭示了这台量子计算机强大的原因，由于量子力学中物体的状态是在希尔伯特空间中演化，因此只需 53 个量子位就可以模拟 1016 种状态，而这个数字已经超出了当今超级计算机的运算能力（一般是等价于 50 个量子比特）。
主要指出的是 Google 虽然实现了 72 个量子位的芯片，但这和 72 位量子计算机是两回事。GoogleBristlecone 芯片是利用 9 个相同模式的量子比特进行耦合，然后依次扩展出去，并非实现了两两量子比特之间的耦合。
量子计算机的实际应用也面临诸多问题。由于在于 0 和 1 两种状态之间的能量差太小，需要降低到绝对零度附近，才能防止被热量所破坏。
此外，粒子之间状态的耦合也有时间限制，时间一长，两个粒子将不再「相干」。在进行量子计算实验时，所有的量子操作要在量子退相干之前完成，才能保证量子操作的保真度（Fidelity），否则运算结果将不再可信。
今年 3 月，Google 在一篇论文中给出了如下的量子计算机演化概念图：

这张图显示了量子计算错误率和量子比特数之间的关系。Google 量子人工智能实验室的预期研究方向为图中红色曲线，他们希望通过建立纠错量子计算机，降低错误率，从而将这项技术推入右下角的绿色可用区域。

什么是量子霸权


量子霸权，也叫量子优势，即在未来的某个时刻，功能强大的量子计算机可以完成经典计算机几乎不可能完成的任务。
比如在一天之内破解原本几万年才能破解的密码、实现通用人工智能、快速模拟分子模型。
提出这一假想的原因是，量子计算机的发展似乎遵循着「内文定律」，而经典计算机遵循着「摩尔定律」。

▲提出内文定律的 Hartmut Neven

摩尔定律为大众所熟知，即计算机芯片的晶体管密度每 18 个月翻一番，算力增强一倍，这是一种指数增长的规律。但是近年来随着晶体管的尺寸逐渐逼近物理学极限，这一定律已经放缓甚至失效。
而来自 Google 量子人工智能实验室的负责人 Hartmut Neven 认为，量子计算机的速度正在以双指数的速度增长。双指数是指数之上再加一层指数，形式如下：
Neven 认为，量子计算机比经典计算机存在着两个指数优势：
首先，量子位相比普通位具有效率优势，如果一个量子电路具有 4 个量子位，那么需要一个具有 16 个普通位的经典电路才能实现等效的计算能力。
其次，量子芯片也在快速改进。Google 量子芯片正在以指数级的速度发展，这种快速的改善是由于量子电路中错误率的降低。而降低错误率能帮助我们构建更大的量子芯片。
双指数的增长速度远远快于指数函数，因此 Google 认为虽然量子计算机速度现在远不及经典计算机，但是总有一天会超过后者。

这可不仅仅是 Google 研究人员的自卖自夸，实际上 Google 实验室也是按照双指数规律的速度在推进着：去年 12 月，一台笔记本电脑即可模拟 Google 最好的量子计算机；到了今年 1 月，一台功能强大的台式机才可与之媲美；而到了今年 2 月，经典计算机的速度已经不能和量子计算机匹敌，无法再模拟后者了。

为何由 NASA 发布


也许你会好奇，Google 的论文为何要在 NASA 官网上发布。其实 Google 去年就已经和 NASA 展开合作，并且立下了 flag：要在今年实现所谓量子霸权，即让量子计算机的运算能力远远超过经典计算机。
2018 年 7 月，Google 宣布与 NASA 建立合作伙伴关系，计划将量子计算机上运行的结果，与经典仿真进行比较，实现所谓的「量子霸权」，而且当时的 Google 预测在今年就可以实现。
双方合作使用的量子芯片名字叫做 Bristlecone，总共包含 72 个量子比特。由于 Bristlecone 需要将超导电路维持在绝对零度附近，因此无法将其从 Google 的实验室搬走。NASA 研究人员只能通过 Google 的云 API 远程连接 Bristlecone。

双方将共同研究如何将「各种各样的优化和采样问题」映射到 Bristlecone 量子计算系统上。
按照双方的约定，今年年初，他们在 NASA 最强的超级计算机 Pleiades 上对运行这些仿真所必需的软件进行编码，并在合同签订后的 12 个月，即今年 7 月，比较量子电路仿真和 Google 量子计算机硬件的结果。
虽然 Google 和 NASA 持非常乐观的态度，但业界也有人这个 flag 要倒。
阿里巴巴数据基础设施和搜索技术部门的研究人员发表了一篇论文，认为要实现量子霸权可能需要错误率更低的量子芯片。
南加州大学量子信息科学与技术中心主任 Daniel Lidar 也对此表示怀疑。他接受麻省理工科技评论时说：「（实现量子霸权）似乎还需要其他方式抑制错误。」
如果这篇论文通过了同行评审，则意味着 Google 和 NASA 的 flag 没有倒，而且量子计算将进入一个新的时代。

创造历史


几十年来，量子计算这个领域，都笼罩在一个强大的假设之下：[blockquote]
任何其他类型的计算机，能够高效完成的计算，经典计算机也都能高效完成。[/blockquote]
这个假设，来自「广义邱奇-图灵论题」(Extended Church Turing Thesis) 。
如今，Google 的量子计算机用 3 分 20 秒完成的计算，交给全球排名第一的超级计算机 Summit，大概需要 1 万年。这就打破了人类曾经的猜想。
Google 说：[blockquote]
这标志了第一个只能用量子处理器执行的运算。
在通往全面量子计算的路上，这是一个里程碑。
量子机器的算力，将会以双指数速度增长。[/blockquote]
当然，这项前所未有的成就，不止是 Google 自家的狂欢。
为英国政府担任量子技术顾问的 Steve Brierley，已经在领域里工作了 20 年，还是量子软件初创公司 Riverlane 的创始人。他强调说：[blockquote]
第一次有人证明，量子计算机的性能真的能超过经典计算机。
这是个了不起的成就。[/blockquote]
走到领域之外，美国民主党的总统参选人杨安泽 (Andrew Yang) ，是这样说的：[blockquote]
Google 达成量子霸权是个大事。先不说别的，这至少意味着，没有不能破解的代码了。[/blockquote]
他的这条推特，已经收获了 5100 赞。
不久之后，杨还补充了一条：[blockquote]
我们的加密技术也得跟上啊。[/blockquote]
这条推特，又获得了 3200 赞。

下一步呢


量子霸权实现了，但故事并没有结束。
在许多人的眼里，量子霸权是一个人为设定的里程碑：只要在任何一项任务上，证明量子计算机超过经典计算机就可以了。
怎样的任务都可以，也就不一定有现实意义。比如，Google 给量子计算机的任务是：鉴定一个随机数生成器，是不是真的随机。
所以，一个里程碑之后，还有另一个里程碑要赶去。

实用性


IBM 的量子计算战略负责人 Robert Sutor，提到了一个「量子优势 (Quantum Advantage)」概念，那是一个实用性的里程碑：[blockquote]
量子优势，是在一个真实应用场景 (比如金融服务、AI、化学里面) ，量子计算机做出了比任何经典计算机要明显优秀的工作。[/blockquote]
作为 Google 的对手，IBM 一直在探索量子计算的应用，与摩根大通、梅赛德斯奔驰都有这一方面的合作。最近他们还在线上对外开放了一台 53 比特的通用量子计算机。
IBM 说，量子霸权这个词他们并不用，也不在意。
不过，Google 研究院、加州理工学院的理论物理学家 Fernando Brandão 相信：[blockquote]
在达成量子霸权之前，量子计算机不可能做出什么有意思的事。[/blockquote]
现在，就算量子计算机做的任务还没有实际意义，研究人员还是可以从中学到经验，今后开发出更有用的量子计算机。
2018 年，波士顿咨询公司 (BCG) 发布的报告说，量子计算机可以改变许多领域的游戏规则：[blockquote]
比如密码学和化学，对化学的影响会广泛波及材料学，以及农业和制药等等领域。
人工智能，机器学习就更不用说了。
另外，物流，制造，金融，能源……也都会出现新的应用。[/blockquote]
这个未来，整个世界都在期待着。

容错率


再下一个里程碑，就是造出一台容错的量子计算机。
这样的计算机，能在一项计算当中实时纠正错误，原则上可以实现无错的量子计算。
目前，主流的方法叫做「Surface Code」，每个执行计算的「逻辑」量子比特，都要有成千上万个纠错量子比特来支持。
这远远超出了当前量子计算的最强算力。
所以，量子计算到底需不需要容错能力，也是值得讨论的问题。
来自 Google 的 Fernando Brandão 说：[blockquote]
有许多思路可走，但没有哪个方向是确定的。[/blockquote]

One More Thing


不过，在走向未来之前，关于这项研究，还有一个直击灵魂的问题：[blockquote]
如果说，超算要 1 万年才能算好，怎么才能知道量子计算机得出的结果是对的呢？[/blockquote]
论文缓存地址：
https://filebin.net/k5rr4l0p6ldd ... ting_Processor.html
参考链接：https://www.technologyreview.com ... macy-within-months/
https://www.ft.com/content/b9bb4e54-dbc1-11e9-8f9b-77216ebe1f17
https://www.quantamagazine.org/d ... ings-rise-20190618/
https://gizmodo.com/google-says- ... orld-fir-1838299829
https://www.bcg.com/publications ... uting-how-play.aspx

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