這場舉世矚目的「量子霸權」爭奪賽遇到了理論困境 - 全文

編譯 |?張震、樊曉芳

來源 | Nature

作者 |?Richard Haughton

「還真沒法簡單地說明白一臺量子計算機是如何超越一臺經典計算機的。」Philip Ball說道。

「量子霸權（Quantum Supremacy）」這個詞聽起來總感覺是在暗示人類某些將要發生的可怕的事件，就像《終結者》電影的結局，抑或一場失敗的政治運動。

其實，它指代的僅是一個計算機發展的階段，在這個階段量子計算機在解決某些特定問題上的運算能力會遠超目前所能見到的任何經典計算機。

「量子霸權」這個詞是由加州理工學院量子理論學家?John Preskill?[1] 在 2012 年創造的。由于量子計算機距離我們并不遙遠，該詞一經創造，就立刻獲得了大家的認可和引用。依照大多數量子計算支持者們的觀點，在今年年底就有可能見證量子計算的誕生。

但用「量子霸權」這個名詞來指代這樣的階段真的有道理嗎？

其實無需經過深度的思考我們就能發現很多問題。比如，人們通過什么樣的方法能測量和判定量子計算機會比經典計算機更加優秀？量子計算機可以用來解決哪些問題？如果屆時不是用經典計算機作為參照物，科學家又怎么知道量子計算機在性能上已獲得成功？

一些評論家曾大膽預言，量子技術將在不久以后主導信息技術產業。而相對于評論家的興奮，計算機科學家和工程師則更加冷靜地看待此事，他們并不將量子霸權視為一個節點性的突破，而是一種象征性的概念，通過這種概念從而將兩種計算方式區分開來。當然，你也可以將其看成是一個很簡潔的廣告口號。

?圖為 IBM 的一個包含 50 個量子比特系統的低溫恒溫器

神奇的數字

量子計算機可以根據量子規則操縱信息比特，而量子規則可以對最小尺度的物質的行為進行管理。在量子世界中，信息可由量子比特（量子位）進行編碼，形象地說是由多個二進制?0 和 1 組成的量子態。通過將量子比特持續控制在相干量子疊加態——這時的量子比特間是互相關聯的，并不是像經典計算機電路中每個比特（晶體管）是互相獨立的——量子計算機就能進行更高效的計算，并且比經典計算機使用更少的（量子）比特，并且運算地更快。

IBM 和谷歌均已研發出了量子計算設備的原型機。11 月 10 日，IBM 宣布，其已研發出了一個?20 量子比特的設備，可以通過云端向公眾提供量子計算算力。IBM 的計算機科學家也在同一天表示，他們也成功測試了一個?50 量子比特的電路。與此同時，谷歌也同樣在研發擁有?49-50 個量子比特的設備，研究人員希望能在今年年底實現量子霸權?[2]。

量子計算機真的能夠做一些經典計算機無法實現的運算，還僅僅是因為人們還沒有在經典計算機上找到一個好的、足夠智能的經典算法來做這樣的運算，我們不得而知。但這也讓量子霸權在理論層面成為了一個非常有意思的挑戰：是否真的有存在一些問題能精準地證明量子計算能做經典計算無法完成的任務？

取樣問題是大家最熱衷討論的一類問題，它將有效隨機比特轉化成來自預定義概率分布的比特，從而可在量子計算機上實現更高效地計算。John Martinis 率領的在加州圣巴巴拉市的谷歌團隊已對在量子計算機上進行這樣的采樣機制進行了實驗流程的描述，并聲稱，當其量子計算機達到?50 個量子比特的水平就可實現量子霸權。

由于這篇論文，50 個量子比特已變成一個標桿性的數字。這就是為什么，在?Edwin Pednault 與其在紐約約克敦海茨的 IBM 托馬斯·J·沃森研究中心的同事們發布的一篇預印本論文?[3] 中寫道，只要有足夠精巧的裝置，49 個量子比特的問題完全能通過經典計算機模擬。這一言論被一些新聞報告解讀為是對谷歌利用僅僅?50 個量子比特就可以實現量子霸權的挑戰。

與深度更相關

但事情并非完全如此。量子計算專家目前發現他們的研究思路被他們自己的研究工作所束縛：量子計算的成功并不僅是量子個數的問題。測量量子電路能力的主流指標之一是所謂的「深度（depth）」，即在量子比特相干性消失前一個量子比特系統能進行多少個邏輯運算（門），因為當量子比特退相干后計算錯誤就會激增，系統也沒法進行近一步計算。量子比特之間是如何連接的問題也同樣很重要。所以衡量量子電路的能力的真實方法是需要綜合考慮一系列因素的，IBM 研究院稱這些因素為「量子體積（quantum volume）」。

這也意味著，量子計算可以挑戰的任務范圍還依賴于規則系統的深度，不僅僅是可運用的量子比特的數量。Martinis 說，「IBM 的論文僅關注了淺層問題，因此稱其在?49 個量子比特級別還能進行經典運算也并不奇怪了」，「但我們谷歌意識到，淺層電路更容易進行經典計算」，他說道，「這個情況已經在我們之前的論文里提到了。」

MIT 計算機科學家?Scott Aaronson 也認為?IBM 的研究工作并沒有對實現量子霸權有明顯的推動作用。「論文不錯，創造了通用量子回路的經典模擬的新紀錄，但是，這并沒有削弱量子霸權實驗的合理性。」

實際上，真相幾乎是相反的：IBM 的那篇論文稱使用經典計算機來模擬?49 個量子比特的電路是可行的，這是谷歌已規劃的量子霸權測試的前提。因為這是我們所指的能檢測實驗結果的唯一辦法。

其實，這篇論文展現的是如何在可行性邊界處驗證量子計算結論，因此當超越這一邊界時，計算機科學家和工程師就能自信地認為造量子計算機也是沒問題的。

量子霸權這個目標，類似于「以最快的速度爬山，不過大家還能從山腳看著你。」Aaronson 說，

這些觀點似乎也與?IBM 團隊自己的觀點一致。

「我認為，從我們研發出的模擬辦法可以得出一個合理的結論，量子霸權應被合理地視為一個程度的問題，而不是一個絕對的界限值。」Pednault 說，「我和成員更青睞使用『量子優勢』這樣的表達方式，來強調這一看法。」

IBM 的理論科學家?Jay Gambetta 也表示贊同，若僅從字面上解讀「量子霸權」這個說法的話并沒有太多的意義。

「我并不認為量子霸權代表著我們將會實現并會宣布勝利的那一種神奇時刻。在我看來，這些『霸權』實驗更像是一套來幫助開發量子設備的基準實驗。」

Pednault 說，「在任何時候，實現量子霸權，不應該被錯誤理解是一個量子計算對經濟和社會產生重大影響的某個特定時刻。還有很多科研難題等著我們。」

當然，這仍屬于應用科學的范疇。量子霸權的提出本身就激發了一個很棒的理論難題，但對于量子計算機可為社會做些什么，還所言甚少。

Reference:

[1] Preskill, J. Preprint at https://arxiv.org/abs/1203.5813 (2012).