谷歌的“量子霸权”是什么？

从美国宇航局研究人员泄露的谷歌论文来看，计算机科学领域确实取得了令人难以置信的进步。今天，我们就一起了解了解到底是什么进步，这一进步又有多么重要。

上周，谷歌公司突然在网上发布了一条简短但却重大的声明：其 AI Quantum 研究小组已经实现了“量子霸权”。这意味着行业正朝着超强计算机迈出重要一步，也进一步证明利用量子力学规则确实能够解决当前经典计算机无法处理的复杂难题。

美国宇航局几位参与贡献的研究人员不小心泄了密，他们意外把论文草稿发到了网上。从论文内容看，谷歌非常清楚这样的成功意味着什么，并在论文标题中大胆地使用了“利用可编程超导处理器实现的量子霸权”说法。尽管论文被很快撤下，但其副本早已被其他人归档并在互联网上广泛传播。

谷歌方面并没有就论文泄露的方式或者最终版本的发表时间回应我们的评论请求。

谷歌达成这一里程碑的消息迅速引发热烈讨论，但很多朋友其实并不清楚这究竟意味着什么。在今天的文章中，我们就要拨开量子力学世界保的重重迷雾，聊一聊谷歌的成就以及基于现有推测、观点以及预测整理出的可靠事实。

“量子霸权”是什么东西？

量子霸权是指量子计算机能够解决“经典（非量子）”计算机在合理时间范围之内无法解决的复杂难题这一关键性节点。

原则上，即使是最简单的通用型计算机也能够在无限的时间窗口之内解决任何可计算问题（所谓可计算问题，是指存在一个或者一组可能答案的问题）。因此，“霸权”的标准就可以翻译成计算机能够以怎样的速度与可靠性解决这些问题。

滑铁卢大学量子计算机研究所副教授David Gosset表示，“其目的在于证明已经存在一种量子设备，且该设备至少可能完成经典计算机无法达成的某种功能。”

一般观点认为，量子计算机至少需要49个量子比特才能达成“霸权”目标。量子比特拥有一系列与经典计算机比特截然不同的特性。经典比特只能表达“1”或者“0”，计算机每次读取一个比特的当前状态并执行损人和。但由于特殊的量子效应，量子比特的位置、方向及动量等特性无法得到明确的定义，因此量子比特能够同时表示由“1”和“0”组成的叠加状态。这就意味着系统同时处于多种状态当中，也就是量子不确定性。

量子计算机可以利用量子运算符（一种数学转换）对量子比特状态内的所有可能偷走一进行操作，从而同时读取并变更“1”和“0”信息。这种即时处理更多信息并同时对这些信息加以操作的能力，使得量子计算机能够以远超经典计算机的方式执行某些极为复杂的任务。

谷歌做了什么？

在意外公布量子霸权里程碑之前，谷歌已经凭借着庞大的量子计算机规模在这场竞争当中处于领先地位。去年，谷歌方面展示了一款新型73量子比特计算机，明显强于位列第二的竞争对手 IBM 在今年 9 月 18 日公布的53量子比特研究成果。

但在此次量子霸权实验当中，谷歌使用的其实是另一台规模相对较小的计算机，名为 Sycamore。

根据泄露的论文内容来看，谷歌方面使用的是一块 53 量子比特处理器（初始量子比特为 54 个，但其中一个量子比特发生了故障）来执行采样测试任务。首先，经典计算机会生成一系列被称为量子门的量子指令。量子门相当于在经典计算机中作用于 1 和 0 状态的逻辑门。这些门控机制统称为量子电路，它们被发送至量子计算机处，仅对纯零状态的量子比特执行操作，从而生成结果状态的概率分布。（由于量子力学存在不确定性，因此该函数只能得出所有可能值的出现概率。）最后，量子计算机负责以概率分布为基础输出样本。

为了验证这台量子计算机是否正确执行了该任务，团队必须合理使用和经典计算机作为“模拟器”，用以验证量子计算机输出的样本与预期值的趋近度。

经典模拟器一般利用数学技术生成类似的概率分布函数，用于同量子计算机的结果进行比较。但实际上二者执行运算的过程完全不同，毕竟如果过程相同，那就没必要研究量子计算机了。模拟往往需要大量的时间与资源，而且成本消耗量随着作为比较组的量子计算机的规模提升而快速增长。事实上，只有量子计算机的量子比特在 50 个或者更少时，经典计算机才有能力对量子霸权加以验证。

看起来，Sycamore 确实在合理的错误阈值之内快速完成了这项工作。谷歌研究人员在一份简短的摘要文章（同样被发布在网上）中估计，量子计算机在 200 秒内完成的这项计算任务，利用目前最先进的经典计算机也需要上万年时间才能搞定。

当然，不能排除世界上可能存在某种我们尚不知晓的算法，这种算法可以让经典计算机在合理的时间范围内完成相同的任务。目前，还没人在数学层面证明这种算法并不存在，但已经有某些弱证据表明，这类超高速经典计算算法确实很可能只是个概念。

这个结果很重要吗？

在回应泄露事件的公告当中，美国总统候选人杨安泽曾提到“没有无法破解的代码。”

这一点在量子计算愈发强大的背景下显得尤其值得重视。我们必须承认，当前的安全性与加密协议在面对量子计算机这类强大且速度极快的机器时，已经变得不那么可靠。但是，Sycamore 虽然能够以远超经典计算机的方式快速解决某些特定任务，不过它距离实际破解重要安全协议还有很长的道路要走。

得克萨斯大学奥斯汀分校量子学教授 Scott Aaronson 在一篇博文中对关于此次谷歌新闻的常见问题做出了解答。

根据 Aaronson 的说明，当前 RSA 加密协议需要利用“数千个逻辑量子比特”才能被破解。然而，目前最强大的量子计算机也只拥有 100 个量子比特，Sycamore 还要更少。虽然加拿大厂商 D-Wave 的设备拥有大量量子比特，但其使用的设计思路完全不同而且不涉及量子门。

逻辑量子比特是一种高级（更加抽象）量子比特，不会受到量子退相干的影响。所谓量子退相干，是指量子之间会产生杂乱的相互作用、引发噪声并导致错误。单一逻辑量子比特往往需要由数百个（甚至是数千个）物理量子比特构成，这种方式能够抵消单一物理量子比特层级中退相干问题引发的错误。

根据 Aaronson 的博文所言，这意味着至少需要数百万个“高质量”物理量子比特才能提供数千个真正的逻辑量子比特，到这时这些逻辑量子比特才能够破解目前常见的加密方法。再看看现实情况——Sycamore 只有拥有可怕 53 个，还是物理量子比特。

无论如何，几乎所有人都同意，谷歌此次得到的结果对科学及工程技术的进步至关重要。除了“量子霸权”里程碑本身，此次成就的另一大关键创新，在于谷歌的超导处理器具有可编程能力，因此能够接收用于不同任务的指令，且其中某些任务是经典计算机所无法完成的。

当然，总会有反对之声出现。众所周知，我们很难判断量子霸权的达成是否可信，这是因为目前验证量子结果的方法确实不太有说服力。就谷歌而言，他们的验证主要是将量子输出样本与经典计算机生成的“理想”输出结果进行比较。

Gosset 表示，“此次量子霸权论证并没有什么实用性意义，因为大多数关于量子霸权的探索都在使用现实场景下几乎不可能涉及的计算问题。但此次事件仍然极具份量，我们社区也将在获得全部细节信息之后对结果进行审查。”

一些学者甚至开始质疑谷歌的实验方法。耶路撒冷希伯来大学数学教授 Gil Kalai 在一篇博文中表示，谷歌的研究未能证明量子计算机确实是通过对预期概率分布进行采样得出结果，而没有采用其它运算过程。

根据他的说法，目前的主要问题在于“仅靠量子比特和量子门行为”来推断量子计算机的行为，并不能解决所谓“噪声”错误。这类错误会会干扰量子计算机的行为。

在今年 8 月发布的一篇论文中，他提到自己担心谷歌目前的量子霸权论证过程不够可靠。他写道，“实验结果恐怕并不够稳健……意味着结果将变得非常混乱……两次实验可能带来巨大的概率分布差异。”

那么，谷歌到底实现了“量子霸权”目标没有？就目前来看，还没有明确的答案。

原文链接：

OK, WTF Is Google’s ‘Quantum Supremacy’?