Sycamore 芯片由 54 个量子比特构成，每个量子比特就是一个超导回路。图片来源：埃里克·卢塞罗（Erik Lucero）

来源 Nature

撰文 Elizabeth Gibney

编译 桑颂 戚译引

谷歌科学家宣布已经实现量子优越性（quantum supremacy，又叫量子霸权），这是量子计算领域大家期盼已久的一座里程碑。这项研究发表在 10 月 23 日的《自然》杂志上。论文的早期版本在 5 周前泄漏，当时谷歌没有作出评论。（提前泄露论文详解在这里。）

由加州大学圣巴巴拉分校（University of California, Santa Barbara）实验物理学家、谷歌科学家约翰·马丁尼斯（John Martinis） 领导的研究团队宣布，他们的量子计算机首次在一种特定计算任务中超越了“经典”计算机。研究团队估计，即使最好的经典超级计算机也需要 1 万年才能完成这项运算。

马丁尼斯说，量子优越性长期被视为一项重要里程碑，这意味着量子计算机的表现超越了经典计算机。尽管这种优势仅仅体现在一个非常具体的案例中，这也能向物理学家们证明，在完成一个复杂任务时，量子力学能按照预期运行。

新南威尔士大学（University of New South Wales）量子物理学家米歇尔·西蒙斯（ Michelle Simmons） 说：“看起来，谷歌展示了第一个实验证据，证明在真实世界系统中实现高速量子计算是可行的。”

马丁尼斯将这个实验比作当年的“Hello World”程序，它指示系统显示这段文字，以检验这个全新的系统。他说，这个实验也是一样，它本身不是很有用，但是它证明了量子硬件和软件都能正常运作。

这项成就最初在 9 月得到了《金融时报》（Financial Times）和其他媒体的报道，当时该论文的一个早期版本在谷歌的合作团队美国航空航天局（NASA）网站上被泄漏，然后很快被撤下。当时谷歌没有证实他们写了这篇论文，也没有对报道作出评论（参见：量子霸权终于实现？谷歌的量子计算机似乎获得了大突破）。

谷歌所选择的运算任务是对一个量子随机数生成器的输出进行采样，尽管它的实际用途有限，但“假如它成立的话，在科学上是巨大的成就。我觉得它是成立的，”得克萨斯大学奥斯汀分校（University of Texas at Austin）理论计算机科学家斯科特·阿伦森（Scott Aaronson）说。

谷歌之外的研究人员已经着手改进用于解决这一问题的经典算法，希望能将任务完成时间压缩到 1 万年的估计值以下。作为谷歌的竞争对手之一，IBM 也在建造世界最好的量子计算机，该团队在 10 月 21 日发布的一篇预印本论文中宣布，通过采用一个不同的经典技巧，这个问题能够在 2.5 天内完成。这篇论文还没有经过同行评审。如果 IBM 的结论是正确的，那么它将缩小谷歌所证明的量子“优越性”，即以远超经典计算机的速度完成一项运算，但也仅此而已。谷歌的成就仍然是一个重要的里程碑，西蒙斯指出：“在我看来，这是（量子优越性的）第一个证明，所以这绝对是个重要成果。”

快速求解

量子计算机的工作方式与经典计算机本质上的不同是：经典比特只有 1 或 0 两种状态，但是量子比特（又叫量子位）能同时处于多种状态。当量子比特紧密相连时，理论上，物理学家可以利用其波状量子态之间的干涉来进行计算，而这项计算用其他方法这可能要花费数百万年的时间。

物理学家认为，量子计算机将来某天可能会引领算法革命，例如检索庞大的数据库或对极大整数进行因数分解，尤其是应用于加密算法的因数分解。但要成功实现这些领域的应用尚需几十年时间。连接的量子比特越多，设备运行时保持量子状态就越困难。谷歌的算法在由 54 个量子比特组成的量子芯片上运行，每个量子比特由超导回路构成。但相比通用机器可能需要的上百万个量子比特，这只是其中的一小部分。

马里兰大学帕克分校（University of Maryland, College Park）的物理学家克里斯托弗·门罗（Christopher Monroe）称，谷歌对他们的量子计算机设定的任务“有些奇怪”。谷歌的物理学家在 2016 年率先设计了这个问题，使它对于普通计算机来说极其困难。研究小组尝试使用一台名为 Sycamore 的计算机来描述一个量子版本的随机数生成器产生不同结果的可能性，并通过一系列随机操作运行 53 个量子比特的电路传递来实现（因为 Sycamore 原有的 54 个量子位中有一个坏了）。这样会生成一个由 1 和 0 组成的 53 位字符串，一共能产生 2⁵³ 种可能的组合。整个过程复杂到没有办法根据第一性原理（first principles，即经过近似处理后直接求解薛定谔方程，得到材料相关性质的算法）来计算，因此实际上是随机的。但由于量子比特之间的相干，因此有一些数字串出现的概率比其他数字串大。这就像投掷带有配重的骰子，就算其中一些结果出现的概率比其他结果大，但它产生的仍然是随机数。

Sycamore 通过对电路进行采样，即运行一百万次并观测输出的字符串，来计算概率分布。这种方法和通过投掷骰子来找出偏差的方式类似。门罗说，在某种意义上，这台机器在做着科学家们每天做的事情：通过实验找到无法通过经典计算解决的量子问题的答案。门罗提到，两者最关键的区别在于谷歌的计算机并非单一用途，而是可编程的，因此能够应用于任何设置的量子电路。

谷歌的量子计算机在量子随机数生成器输出采样任务中超过了经典计算机。图片来源：埃里克·卢塞罗（Erik Lucero）

另一个挑战是对答案进行核验。为此，谷歌团队将 Sycamore 的结果与经典计算机使用较小和较简单版本的电路仿真得到的结果进行对比，其中包括美国橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）的 Summit 超级计算机的运算结果。经过分析，谷歌团队估计，即使是在一台具有一百万个处理单元的计算机（相当于大约 10 万台台式计算机）上，对整个电路进行仿真也要花费 1 万年的时间，而 Sycamore 只花了 3 分 20 秒。

谷歌认为他们的量子优越性是十分可靠的。谷歌量子计算团队的负责人哈特穆特·奈文（Hartmut Neven）表示，尽管其他研究人员在不断缩减经典模拟所需要的时间，量子硬件也在同时不断改进。这意味着，在这类问题的解决上，常规计算机不太可能赶上量子计算机。

用途有限？

门罗表示，谷歌取得的进展可能会吸引更多的计算机科学家和工程师加入到这一领域中来，从而进一步推进量子计算的发展。但他同时提醒道，这个消息可能会给人一种错觉，以为量子计算机已经快要成为实际应用主流。他说：“大家流传的说法是，'他们终于打败了一台普通的计算机，再过两年我们就能在家里用上（量子计算机）了。”

门罗补充道，实际上，科学家们还没有证明可编程量子计算机能够完成一个目前无法通过其他方式完成的有用的任务，例如计算某个特定分子的电子结构——这是一个需要对多重量子相互作用进行建模的地狱级问题 。

阿伦森说，还有一个重要的步骤是在使用纠错方法的算法中证明量子优越性。纠错方法用于纠正噪声导致的错误，避免让噪声毁掉整个计算，物理学家认为这对于实现量子计算机的大规模运行至关重要。

马丁尼斯说，谷歌正在努力实现这两个里程碑式的进展，并会在接下来的几个月内公布实验结果。

阿伦森说，谷歌为证明量子优越性而设计的实验可能具有实用价值：他已经创建了一种协议，用这个计算过程向用户证明量子随机数生成器产生的比特确实是随机的。这在加密和某些加密货币（其安全性取决于随机密钥）中可能很有用。

马丁尼斯说，要运行该算法，谷歌工程师必须对硬件进行大规模改进，包括构建控制量子电路的新型电子设备，以及设计一种连接量子位的新方法。他说：“这的确是我们未来实现大规模（量子计算机）的基础。我们认为这种基本架构是未来发展的出路所在。”

论文原文：

Quantum supremacy using a programmable superconducting processor

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