物理学家评谷歌“量子霸权”：离实际应用还很遥远

北京时间10月25日消息，10月23日，谷歌公司的研究人员在英国《自然》（Nature）杂志上发表论文称，他们已成功演示了“量子霸权”（quantum supremacy）。所谓量子霸权，其实指的是量子计算机对经典计算机的超越，其运算能力远远超过经典计算机，可以解决经典计算机在合理时间范围内不能解决的问题。

关于量子霸权的讨论听起来似乎有点耳熟。美国国家航空航天局（NASA）对这篇论文也有所贡献。早在9月中旬，NASA就“无意”中将这项最新的量子计算研究发表在官网上，宣称“量子霸权”已经实现，然后又迅速将其撤下。虽然发表的时间并不长，但这篇论文已经引起了网络上一片震荡。这并不奇怪，因为谷歌公司声称，他们的量子计算机可以在200秒内完成超级计算机需要1万年才能完成的事情，这样的成果实在是太令人惊奇了。

Sycamore量子处理器的布局（a）和外观（b），芯片中有54个量子比特，每个量子比特（灰色）通过耦合器（蓝色）与最近的量子比特相连

超级计算机和量子计算机的关键区别在于它们存储信息的方式。超级计算机和任何传统计算机一样，是二进制位的，处理的是1和0的问题；对于量子计算机，则涉及到量子比特的问题，可以假设0和1的任何排列。不过，这并不意味着量子比特可以像薛定谔的猫一样，同时是两个相互矛盾的东西——既是活的又是死的，或者既是0又是1。

正如理论计算机科学家斯科特·阿伦森（Scott Aaronson）在他的博客中所说，量子比特是“此和彼的复杂线性组合”，或者说，是0和1的复杂线性组合。或许最接近的类比应该是“可能是这样，也可能是那样”。阿伦森指出，简单来说，你可以把量子计算机定义为一台利用这种新型“可能性”的计算机。

为什么利用这种“可能性”就能赋予量子计算机所谓的“霸权”？德国法兰克福高等研究院的理论物理学家萨宾·霍森费尔德（Sabine Hossenfelder）解释道：“为了让你了解量子计算机的能力，你可以想象一下：通过量子力学方程的数值解，在经典计算机上模拟量子计算机。”

“如果你这么做，”她接着说，“那么经典计算机的计算负担就会随着模拟的量子比特的数量呈指数增长。你可以在个人电脑上进行2或4个量子比特的计算，但如果是50个量子比特，你就需要一个超级计算机集群。任何超过50个左右量子比特的计算目前都难以实现，至少在任何合理的时间内都无法计算。”

谷歌的量子计算机是一个名为“Sycamore”的紫色芯片。Sycamore的原意是梧桐树，在论文中给出的芯片图片上，可以看到一边刻着“Google AI Quantum”，另一边则刻着“Sycamore”和一棵梧桐树的图案。这个量子处理器被设计成使用54个超导transmon量子比特。由于其中一个量子比特不能正常工作，因此他们在实验中使用了53个量子比特，在一个“伪随机量子电路输出的采样任务”中将其计算速度与“最先进的超级计算机”进行了比较。研究人员表示，Sycamore的计算几乎没有结构，这使它成为“基准测试的合适选择”。与之相比，传统计算机的运行速度就显得相当缓慢。他们总结说，Sycamore的成功“预示着一个备受期待的计算范式即将到来”。

2012年，加州理工学院的理论物理学家、量子信息与物质研究所所长约翰·普雷斯基尔（John Preskill）提出了“量子霸权”一词，后来这成为一个划时代的词汇。普雷斯基尔的原意是用量子霸权来描述量子计算机发展的关键节点。他本月在《量子》（Quanta）杂志上写道：“我想强调，现在是我们这个星球历史上的一段特殊时期，基于量子物理学原理的信息技术方兴未艾。”他似乎在说，谷歌的实验结果后面还应该加上几句注解。

“正如谷歌团队所承认的那样，他们的机器表现出惊人的计算速度，但所解决的问题经过了精心挑选，目的只是为了展示量子计算机的优越性，”普雷斯基尔补充道，“在其他方面，（量子计算）并没有太大的实际意义。”霍森费尔德也有同样的看法。她说，现在的量子计算机似乎还只是“科学家的新玩具”，因为“尽管随机变量的产生可以用来检查量子霸权，但并不足以计算出任何有用的结果。”

尽管如此，普雷斯基尔仍表示谷歌取得了探索量子计算机实用性的重要一步。他认为，为即将到来的“新时代”创造一个短语是很有必要的，这个短语就是NISQ（noisy intermediate-scale quantum），即“嘈杂中型量子”。其中的“嘈杂”（noisy）意思就是“不精确的”。对于量子比特，想要获得无错误的计算结果仍然太难了——量子计算机运行的时间越长，它积累的错误就越多，计算结果就越不可靠。“中型”（Intermediate-scale）的意思则是，现在的量子计算机刚好可以做到谷歌所做的事情，即在某些任务中轻而易举地击败超级计算机，展示量子计算的优越性。但是，量子计算机太小了，最多只有几百个量子比特，做不出任何有价值的事情。所以，如果想超越NISQ时代，还需要相当长的时间。

对于量子霸权，目前我们还没有什么好激动的。“发明（NISQ）这个术语，实际上是想让投资者相信量子计算将在未来几十年产生实际应用，”霍森费尔德说，“NISQ的问题在于，虽然它们可能很快就能付诸实践，但没人知道如何利用它们计算出有用的结果。”也许永远不会有人知道。“我现在很担心量子计算会走上核聚变的老路，永远充满希望，但又永远不会真正实现，”霍森费尔德补充道。

可以理解的是，谷歌的研究人员及其NASA合作者对这种不确定性给出了更积极的解释。他们指出，现在的量子计算还处于“过渡”阶段，从单纯的学术研究，到成为开启新型计算能力的关键，还有很长的路要走，“我们距离有价值的短期应用只有一步之遥”。谁又能知道，这一天会什么时候到来呢？

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