谷歌量子霸權計劃：有望明年底突破經典計算極限

昨日，New Scientist 發表文章解密谷歌量子計算機的進展。文章中寫到，量子計算領域正在快速重組，谷歌的工程師已經悄悄拿出了計劃要成為該領域的霸主！

在加利福尼亞州的某個地方，谷歌正在打造某種能將計算技術帶進一個新時代的設備——量子計算機（quantum computer）。谷歌正在打造的這臺量子計算機是有史以來最大的，其目的是為了一勞永逸地證明這種使用了奇異的物理學的機器能夠超越當下頂級的超級計算機的性能。

而 New Scientist 也了解到這一目標的實現可能將會比所有人的預期更早——甚至可能就在明年年底之前！

量子計算革命已經等待了很長的時間了。20 世紀 80 年代時，理論學家認識到基于量子力學的計算機有望在特定的任務上遠超普通或經典計算機的性能。但說起來簡單做起來難，直到最近，可以擊敗經典計算機的量子計算機才有望從實驗室研究變成現實真正可用的東西，而谷歌想造出第一臺。

這家公司的規劃目前還是機密，谷歌也拒絕就這篇文章發表評論。但 New Scientist 接觸過的一些科學家都相信現在它們已經處在了實現重大突破的邊緣，緊接著就將有大會和私人會議上的演示出現了。

「他們現在肯定是世界上最領先的，這是毫無疑問的，」日本新興物質科學中心（RIKEN Center for Emergent Matter Science）Simon Devitt 說，「谷歌穩操勝券。如果谷歌最后沒有成功，那一定是什么地方出了問題。」

我們簡單了解了谷歌的意圖。上個月，谷歌的工程師悄悄發布了一篇描述了他們的計劃細節的論文《Characterizing Quantum Supremacy in Near-Term Devices（在短期的設備內表征量子霸權）》。他們的目標被大膽地命名成了「Quantum Supremacy（量子霸權）」，其目標是打造世界上第一個可以執行經典計算機無法執行的任務的量子計算機。

「這是他們未來幾年規劃的藍圖，」得克薩斯大學奧斯汀分校 Scott Aaronson 說，他曾和谷歌的這個團隊討論過這個規劃。

所以他們會怎么做？量子計算將信息作為量子位（qubit）進行處理。和經典的位（bit/比特）不一樣，由于量子疊加原理，量子位可以同時存儲 0 和 1 的混合狀態。正是這樣的潛力讓量子計算機在一些特定的任務上具備了優勢，比如大數因子分解。但普通的計算機在這些任務上也能取得很好的表現。要證明量子計算更好，會需要用到數千個量子位，而這遠遠超出了我們現有的技術能力。

而谷歌想要實現 50 個量子位的成果。這仍然是一個很有雄心的目標——就目前公開的消息來看，他們只公布了一個 9 量子位的計算機——但這是一個可以實現的目標。

谷歌穩操勝券。如果谷歌最后沒有成功，那一定是什么地方出了問題。

為了成功實現這一目標，谷歌已經開始了量子核心問題的攻關。他們正在專注解決對普通計算機來說極度困難，而對量子計算機來說可以自然地解決的問題：模擬量子電路（quantum circuits）隨機排布的行為。

這些量子電路中輸入的任何微小變化都可能帶來非常不同的輸出，所以對經典計算機來說，是很難通過逼近以簡化該問題的方法來作弊式地解決這個問題的。「他們正在打造一個量子版本的混沌（chaos），」Devitt 說，「其輸出本質上是隨機的，所以你必須計算所有東西。」

為了找到經典計算的極限，谷歌尋求了 Edison 的幫助。Edison 是世界上最先進的超級計算機之一，安置在美國國家能源研究科學計算中心（ US National Energy Research Scientific Computing Center）。谷歌用其模擬了越來越大的量子位網格（grids of qubits）的量子電路的行為，發現最多能模擬 6×7 網格的 42 個量子位。

這種計算非常困難。因為隨著網絡大小的增長，存儲所有數據所需的內存就會快速暴增。一個 6×4 的網格僅需要 268 MB，比一般的智能手機的內存還小。而一個 6×7 的網格則需要 70 TB，差不多是高端個人計算機的 10,000 倍。

谷歌沒再繼續增大網格，因為再增大一點對現在的技術來說就已經是不可能的了：一個 48 量子位的網格需要 2.252 PB 的內存，這差不多相當于現在世界上最強大的超級計算機的兩倍。如果谷歌可以解決 50 個量子位的量子計算機的問題，那么它就將超越世界上任何已經存在的計算機。

矢志不移

通過設置這個明確的測試，谷歌希望能夠避免那些困擾過之前的宣稱量子計算機超越普通計算機的斷言的問題——其中包括谷歌宣稱的一些。

去年，該公司曾宣布通過使用一臺 D-Wave 量子計算機（一款飽受爭議的已經商業化的設備），該公司以超過經典計算機 1 億倍的速度解決了一些特定的問題。相關專家立即反駁了這一結果，他們說這并不是一次公平的比較。

谷歌在 2013 年購買了一臺 D-Wave 計算機，想要搞清楚它是否可以被用于改善搜索結果和人工智能。后一年，該公司聘請了加州大學圣塔芭芭拉分校的 John Martinis 來設計自己的超導量子位（superconducting qubit）。Aaronson 說，「他的量子位的質量要高得多。」

現在正是 Martinis 及其同事想要嘗試實現 50 量子位的 quantum supremacy（量子霸權），而且許多人相信他們很快將取得成功了。「我認為這將在兩到三年內實現，」瑞士蘇黎世蘭邦理工學院的 Matthias Troyer  說，「他們已經讓人們看到了他們將怎么做的具體步驟。」

Martinis 及其同事已經就實現這一里程碑的時間表做過很多討論了，Devitt 說。最早的估計是今年年底，但看起來不太可能。「我比較樂觀，我覺得可能會是在明年年底。」他說，「就算他們在接下來的五年之內才完成，那也將會是一個巨大的飛躍。」

第一個成功的量子爭霸實驗并不能直接給我們帶來可以執行任何可以想象的任務的計算機——基于目前的理論，這種計算機將會非常龐大。但有一個可以工作的小型計算機可以推動創新或者增強現有的計算機，從而使之成為一個新時代的開始。

Aaronson 將其比作是第一個自持核反應（self-sustaining nuclear reaction）——1942 年由曼哈頓計劃在芝加哥實現。他說：「這可能會讓人們說：如果我想要一臺完全可擴展的量子計算機，就讓我們談談數字：要花多少億美元？」解決構建 50 量子位設備的難題之后，谷歌就為更大的目標做好了準備。「這是構建完全可擴展的機器之路上的絕對重大進展，」牛津大學 Ian Walmsley 說。

為了量子計算機能在長遠上真正有用，我們還需要穩健的量子糾錯（quantum error correction）技術——一種用來減輕量子態脆弱性的技術。Martinis 等人已經在研究這方面的問題了，但這將要花費比實現 quantum supremacy（量子霸權）更長的時間。

不過，霸權的實現不會被取消。

「一旦一個系統達到了量子霸權，并且表現出了明顯的規模化行為，那么它就將成為私有企業天空上耀眼的火炬。」Devitt 說，「就為走出實驗室做好了準備。」

「這個領域的發展速度比原來預想的快得多，」Troyer 說，「現在是時候將量子計算從科學變成工程并真正打造設備了。」

來自: 網易科技