在過去的一個月以來，量子計算機領域吸引了許多人的關注，因為關于谷歌已經實現了人們期待已久的里程碑——“量子霸權”（也被稱為”量子優越性“）的消息不脛而走。“量子霸權”是加州理工學院的理論物理學家John Preskill在2012年提出的一個詞，他想用它來描述當量子計算機最終超越最先進的超級計算機的時刻。

而在剛發表于《自然》雜志的論文中，谷歌正式宣布他們在量子計算上實現了這一壯舉。他們的結果表明：量子計算機已經達到了可以執行任何經典計算機都無法與之匹敵的計算任務的地步。這意味著與經典計算機相比，量子計算機在執行某些任務方面具有固有的優勢。

是的，量子計算機并非在任何方面都快于經典計算機。我們知道，量子計算機擅長分解大的數字、模擬如復雜分子一類的物理系統。但在多數情況下，它們并不具有什么明顯優勢。目前為止，研究人員仍在探究量子計算究竟可以加速哪些類型的計算，以及加速多少。

○  谷歌宣布他們研制的量子計算機（左）已經實現了量子霸權，這意味著在一些特定的任務上它可以超越世界上最快的超級計算機——IBM的Summit（右邊）。但IBM并不同意這一說法。| 圖片來源：Google/OLCF

然而對于谷歌的聲明，它在量子計算方面最主要的競爭對手IBM卻發表了質疑。IBM認為，谷歌并沒有突破量子霸權這一關卡。在周一發布的一篇論文中，IBM提供了證據證明——世界上最強大的超級計算機幾乎可以與谷歌的量子計算機齊頭并進。

那么，為什么會出現這種混亂的局面呢？難道這樣重大的里程碑式突破不應該是偉大而明晰的成就嗎？然而事實是，談到量子霸權，它涉及到許多微妙之處，這遠比一個“科學革命”的熱門頭條要復雜得多。

量子計算機已經發展了幾十年了，經典計算機在計算時使用的是比特，也就是只有1和0兩種狀態；而量子計算機用來編碼信息的是量子比特（又稱為量子位），它能夠同時處于多種狀態。

量子比特的行為遵循著量子力學中的那些奇異規則。量子計算機的目標便是利用這些特性來進行遠超出任何普通計算機能力的計算。但多年來，量子計算機的計算能力一直難以與普通計算器媲美。

對于Preskill所提出的“量子霸權”一詞，從事相關領域的專家對它的意義持有不同的看法。這就是為什么谷歌宣稱它已經取得了量子霸權，而IBM說它還沒有。

在解釋量子霸權意味著什么之前，我們有必要先說明，量子霸權不意味著量子計算機可以執行經典計算機不可能完成的計算的時刻。這是因為，理論上說，只要有足夠多的時間，經典計算機最終都可以執行量子計算機可執行的任何計算。

相反，大多數專家將量子霸權解釋為量子計算機執行了一個在所有實際用途上看，經典計算機都無法與之比擬的計算的時刻。這正是谷歌和IBM之間分歧的癥結所在，因為“實用”是一個模糊的概念。

在《自然》雜志上的那篇論文中，谷歌聲稱他們的Sycamore處理器用200秒的時間，完成了一項世界上最好的超級計算機需要1萬年才能做到的計算，而這臺世界上最好的超級計算機恰好是IBM的Summit。1萬年并非一個實際的時間范圍。但IBM現在認為，占地面積相當于兩個籃球場大的Summit可以在2.5天內完成計算。

谷歌堅持認為他們做出的1萬年的估計是正確的，不過一些業內的的計算機專家認為IBM給出的時間可能是正確的。

如果假設IBM是對的，那么2.5天是一個現實的時間量嗎？也許它適用于某些任務，但肯定不適用于其他任務。因此，當計算機科學家談論量子霸權時，他們通常會有一個更精確的想法。

計算機科學家會區分在“快”的多項式時間和“慢”的指數時間內運行的程序。即使讓快速的程序處理一個非常大的數字，它仍能保持快速。當需要解決的問題變得更大時，運行緩慢的程序會以指數級的折損速度。

在新的論文中，谷歌演示了他們使用53個量子比特的量子計算機在快速多項式時間內執行某種特定的計算（稱為“隨機量子線路采樣”）。與此同時，沒有證據表明任何傳統的經典計算機可以在比慢指數時間內更好地執行相同的任務，而這比前文提到的時間范圍要重要得多，無論是2.5天還是1萬年。

芝加哥大學的William Fefferman說：“實際的時間估計并沒有很重要，我不認為（IBM的論文）會使谷歌提出的任何核心主張失效，除了1萬年的估算之外。”

重要的是，谷歌采用了完全有別于經典計算機的方式來解決計算問題。這一差別意味著，每當它的量子計算機哪怕只是增加了一個量子比特，經典計算機的體積就必須翻倍才能跟上它的速度。當量子計算機實現70個量子比特時——這是在未來幾年內就可能發生的事——一個經典的超級計算機就需要占據一個城市的面積才能跟上。

有人說，在谷歌宣布實現量子霸權之后，經典計算機和量子計算機之間的關系就像20世紀90年代的國際象棋冠軍卡斯帕羅夫和IBM的“深藍”超級計算機之間的關系。卡斯帕羅夫可以僵持一段時間，但很明顯，他很快就會無可挽回地被他的算法對手超越。

https://www.ibm.com/blogs/research/2019/10/on-quantum-supremacy/

文章來源：原理

IEEE Spectrum

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