谷歌“Foxtail” 量子處理器。圖片來源：Google/Erik Lucero

2018 年 12 月，Google AI 的科學家使用谷歌最好的量子處理器進行運算，那時他們還能在普通的筆記本電腦上復現運算過程。次年 1 月，他們在增強版量子處理器上進行同樣的運算，這次他們就不得不使用一臺強大的臺式計算機來復現了。到了 2 月份，大樓里沒有任何經典計算機可以來復現了，研究人員只能申請使用谷歌龐大的服務器網絡來實現。

谷歌量子人工智能實驗室（Quantum Artificial Intelligence lab）主任 Hartmut Neven說：“二月的某個時候，我不得不打電話說，‘嘿，我們需要更多的配額。’我們當時正在處理由一百萬個處理器運行的工作。” 

這種快速的演進產生了所謂的“Neven 定律”，這是一種新的定律，用來描述量子計算機在經典計算機上的發展速度。這條定律來自于 Neven 的內部觀察，然后他在今年 5 月份的谷歌量子春季研討會（Google Quantum Spring Symposium）首次提出了這個定律。他說，量子計算機正在以“雙重指數”的速度擁有相對于經典計算機的計算能力，這是個驚人的快速演變。

雙指數增長的過程“最初看起來什么都沒有發生，還是什么都沒有發生，然后，哎，一下子，你突然就進入了一個不同的世界，這就是我們現在所經歷的，” Neven 說。

指數增長的速度就已經夠快的了。指數增長指的是某些量以 2 的冪次級增長，例如 2¹、2²、2³、2⁴。剛開始的增長可能不明顯，但隨后的增長是巨大的。著名的摩爾定律就是指數形式的，它指的是計算機性能每兩年會翻一番。

雙指數增長遠比指數增長更加令人驚嘆。數量級不是按 2 的冪增長，而是按 2 的冪的冪增長，也就是：

雙指數增長太怪異了，以至于在現實中很難找到這樣的案例。量子計算的發展速度可能是第一個。

Neven 說，量子計算機以雙指數增長超越計算機的過程是兩個指數因子相互組合的結果。第一，量子計算機比經典計算機有一個先天的指數優勢。舉個例子，如果一個量子電路有 4 個量子比特，那么一個 16 比特的經典電路才能與其計算能力等效。即使量子技術從未發生進步，這也是事實。

第二個指數因子源于量子處理器的快速改進。Neven 說，谷歌最好的量子芯片計算能力最近一直在以指數增長。（這種快速的改進是因為量子電路中的錯誤率降低了，這讓工程師們得以建造更大的量子處理器）。如果經典計算機的計算能力需要以指數形式增長，才能模擬量子處理器，同時量子處理器計算能力也隨時間呈指數增長，你最終會發現量子計算機和經典計算機之間的雙指數關系。

Hartmut Neven。圖片來源：Hartmut Neven

并非所有人都相信這個定律。一方面，經典計算機的改進并非止步不前，即使摩爾定律或許即將終結，但普通的計算機芯片也在不斷改進。同時，計算機科學家們也不斷設計出更高效的算法，來推動經典計算機的進步。

馬里蘭大學量子信息與計算機科學聯合中心聯合主任 Andrew Childs 說：“在我看來，考慮所有的因素，包括經典計算機和量子計算機的改進，我仍然認為這很難說是雙指數增長。”

雖然量子計算機追上經典計算機的相對速度可能有爭議，但毫無疑問的是，量子技術正在迅速發展。

 得克薩斯大學奧斯汀分校的計算機科學家 Scott Aaronson 在一封電子郵件中寫道：“我認為這些不可否認的進步，把那些相信大規模量子計算行不通的人將了一軍，現在輪到他們來解釋這樣的發展趨勢會在什么階段、因為什么原因停止了。”

量子計算領域的終極目標是進行高效的量子計算，這種計算即使是最強大的經典計算機（目前是美國橡樹嶺國家實驗室的“頂點”超級計算機）也無法在合理的時間尺度內進行模擬。在研究量子計算機的不同團隊中，谷歌尤其著重強調其對這一里程碑的追求，即所謂的“量子霸權”。

時至今日，量子霸權仍然顯得不可捉摸——有時它看起來即將來臨，卻又從來不在我們的掌握之中。但是，如果 Neven 定律成立，那么量子霸權的到來將指日可待了。Neven 沒有明確提出谷歌團隊奪得量子霸主地位的確切時間，但他認為這件事很快就會發生。

Neven 說：“我們經常說，我們覺得我們將在 2019 年實現這一目標。艱難的關鍵時刻馬上就要來臨。”

原文鏈接：

https://www.quantamagazine.org/does-nevens-law-describe-quantum-computings-rise-20190618/

文章來源：科研圈

IEEE Spectrum

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