77 位作者！谷歌量子霸權論文正式登上 Nature，54 比特量子計算機將向學界開放

本文轉自 | 新智元

上個月，谷歌聲稱實現?“量子霸權”?的新聞沸沸揚揚：谷歌打造出第一臺能夠超越當今最強大的超級計算機能力的量子計算機！

該量子系統只用了?200?秒完成一個計算，而同樣的計算用當今最強大的超級計算機 Summit 執行，需要約?10000?年。

谷歌的論文一開始在 NASA 網站上發布，但不久被悄悄刪除。

今天，谷歌?“量子霸權”?論文終于以封面重磅的形式在 Nature 正式發表！

論文地址：

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

Nature 同時還發表一篇?“新聞與觀點”?文章，稱這一成就是量子計算的重大里程碑事件。

谷歌CEO?Sundar Pichai

量子計算的一個目標是以指數級倍數超過傳統經典計算機的速度執行特定計算任務。實現這一目標需要克服許多挑戰，比如在產生較大計算空間的同時保證計算錯誤率低，以及設計一種經典計算機難以處理，但量子計算機可以輕松完成的基準測試。

研究團隊開發的糾錯流程可以保證較高的運算保真度?（高達 99.99%）。為了測試該系統，團隊設計了一項對量子電路產生的隨機數字進行采樣的任務。對于經典計算機來說，這一任務的難度會隨量子電路中量子比特數的增加而增加。最后，量子處理器在 200?秒左右的時間內從量子電路中采集了 100?萬個樣本，而當今最強大的超級計算機大約需要 1 萬年的時間才能完成這一任務。

Nature 評論文章表示，谷歌的這一成就是?“對世界領先的超級計算機……?實現量子霸權無疑是一項了不起的成就”。但文章也指出，在量子計算機投入實際應用前還需開展更多工作，比如實現可持續的容錯運算。

然而，針對谷歌“量子霸權”事件的批判和質疑也隨之而至。就在Nature論文發表的前一天，IBM 研究人員發文稱，谷歌并未充分利用超級計算機的存儲潛力，所以上述說法可能站不住腳。

接下來，新智元先帶來谷歌對他們的研究的詳細解讀，再附上IBM的批判文章，孰是孰非，歡迎讀者來評判。

30?多年來，物理學家一直在談論量子計算的力量，但一直存在的問題是：它是否能做一些有用的事情，是否值得投資？

對于如此大規模的工程，制定決定性的短期目標來明設計是否朝著正確的方向發展是很好的工程實踐。因此，我們設計了一個實驗作為一個重要的里程碑，以幫助回答這些問題。

這個實驗被稱為?“量子霸權實驗”(quantum supremacy experiment)，它為我們的團隊克服量子系統工程中固有的許多技術挑戰提供了方向，從而研制出既可編程、又功能強大的計算機。

為了測試整個系統的性能，我們選擇了一個敏感的計算基準，如果計算機的單個組件不夠好，這個基準就會失敗。

今天，我們在《自然》雜志發表的文章《使用可編程超導處理器達到的量子霸權》中發表了量子霸權實驗的結果。

為了進行基準測試，我們開發了一個全新的 54 量子比特處理器，名為?“Sycamore”，它由快速、高保真的量子邏輯門組成。

我們的處理器在 200?秒內完成了目標計算，根據實驗中的測量結果，我們斷定，世界上最快的超級計算機需要 10000?年才能產生類似的結果。

左：掛在低溫恒溫器上的 Sycamore 處理器的藝術再現。右：Sycamore 處理器的照片。

量子霸權實驗

為了了解這個基準測試是如何工作的，請想象一下，熱情的量子計算新手訪問我們的實驗室，為了在我們的新處理器上運行一個量子算法。他們可以從一個基本門操作的小字典中組成算法。由于每個門都有出錯的可能性，我們的客人會希望將自己限制在一個適當的序列中，總共有大約 1000?個門。假設這些程序員之前沒有經驗，他們可能會創建一個本質上看起來像門隨機序列的東西，可以將其視為量子計算機的?“hello world”?程序。由于在隨機電路中沒有經典算法可以利用的結構，因此，經典超級計算機模擬這樣的量子電路通常需要花費大量的努力。

在量子計算機上，隨機量子電路的每次運行都會產生一個位串?(bitstring)，例如?0000101。由于量子干涉?(quantum interference)，當我們多次重復實驗時，某些位串會比其他位串更容易出現。然而，隨著量子比特的數量?(寬度)?和柵極周期?(深度)?的增加，在經典計算機上為隨機量子電路尋找最有可能的位串變得更加困難。

證明量子霸權的過程

在實驗中，我們首先運行 12 到 53 個量子比特的隨機簡化電路，并保持電路深度不變。我們使用經典模擬來檢驗量子計算機的性能，并與理論模型進行比較。一旦我們證實系統工作正常后，我們就運行 53 個量子比特、且不斷增加深度的隨機硬電路，直到達到經典模擬變得不可行的程度。

根據 Schr?dinger-Feynman 算法的量子比特數和周期數來估計量子霸權電路的驗證時間。紅色的星星表示實驗電路的估計驗證時間。

這個結果是對邱奇?-?圖靈論題?(Church-Turing thesis)?的第一個實驗挑戰，該論題認為，經典計算機可以有效地實現任何?“合理的”?計算模型。這是無法在經典計算機上合理模擬的第一個量子計算，我們開辟了一個新的有待探索的計算領域。

Sycamore?處理器

量子霸權實驗是在一個名為?“Sycamore”?的完全可編程的 54 量子比特處理器上進行的。它由一個二維網格組成，其中每個量子比特與其他四個量子比特相連。因此，該芯片具有足夠的連接性，使得量子比特狀態可以在整個處理器中快速交互，從而使整個狀態無法在傳統計算機上有效地模擬。

量子霸權實驗的成功是由于我們改進了具有增強并行性的雙量子比特門，即使同時操作多個門，也能可靠地實現記錄性能。我們使用了一種新型的控制旋鈕來實現這一性能，該旋鈕能夠關閉相鄰量子比特之間的相互作用。這大大減少了這種多連接的量子比特系統的誤差。通過優化芯片設計以降低串擾，并開發新的避免量子比特缺陷的控制校準，我們進一步提高了性能。

我們在一個二維的正方形網格中設計了這個電路，每個量子比特連接到另外四個量子比特。該架構也向前兼容以實現量子誤差校正。

我們認為，這個 54 量子比特的 Sycamore 處理器是一系列更強大的量子處理器中的第一個。

熱圖顯示了同時運行的所有單量子比特?(e1, 叉號)?和雙量子比特?(e2, 方形)?的 Pauli 誤差。所示布局遵循處理器上的量子比特的分布。(由《自然》雜志提供)

量子物理測試

為了確保量子計算機在未來能夠實用，我們還需要驗證沒有來自量子力學的基本障礙。物理學在通過實驗來檢驗理論極限方面有著悠久的歷史，因為當人們開始探索以截然不同的物理參數為特征的新體系時，常常會出現新的現象。

先前的實驗表明，量子力學在狀態空間的維數達到 1000?左右時，能夠正常工作。在這里，我們將這個測試擴展到一萬萬億?(10 quadrillion)?的大小，并發現一切仍然如預期的那樣工作。

我們還通過測量兩個量子比特門的誤差來測試基本量子理論，并發現這可以準確地預測整個量子霸權電路的基準測試結果。

這表明，沒有意料之外的物理現象會降低我們的量子計算機的性能。因此，我們的實驗提供了證據，表明更復雜的量子計算機應根據理論運行，并使我們對繼續擴大規模充滿信心。

應用領域

Sycamore 量子計算機是完全可編程的，可以運行通用的量子算法。自去年春天獲得量子霸權的成果以來，我們的團隊已經在研究近期的應用，包括量子物理模擬和量子化學，以及生成機器學習等領域的新應用。

下一步是什么??

我們的團隊未來有兩個主要目標，兩個目標都有關在量子計算中尋找有價值的應用。

其次，我們正在投資我們的團隊和技術，以盡快打造一臺容錯的量子計算機。這樣的設備有許多有價值的應用前景。例如，我們可以設想量子計算將幫助設計新材料?——?例如用于汽車和飛機的輕型電池，可以更有效地生產肥料的新型催化劑?(目前這個過程產生的碳排放量占全球的 2%?以上)，以及開發更有效的藥物。要獲得必要的計算能力仍然需要多年的艱苦工程和科學工作。但我們現在清楚地看到了一條道路，我們渴望向前邁進。

就在谷歌的Nature論文發表的前一天，IBM 研究人員發文稱，谷歌并未充分利用超級計算機的存儲潛力。谷歌選擇了一個他們認為在經典機器上很難解決的問題，但現在 IBM 已證明這個問題沒有谷歌想象的那么難，因此谷歌實際上并沒有表現出量子霸權，而且競爭仍在繼續。

人工智能

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