雷鋒網(wǎng) AI 科技評論按：2019年10月23日或許將是人類(lèi)史上值得紀念的日子，但也可能不是。在這一天，谷歌正式在《Nature》上發(fā)表了他們關(guān)于驗證“量子優(yōu)越性”（即在特定任務(wù)上量子計算機遠遠優(yōu)于傳統計算機）的論文，并被Nature放在期刊封面。在這篇論文中，谷歌聲稱(chēng)他們用54個(gè)量子比特的數組達到了量子優(yōu)越性，在200秒內完成規定操作，而相同的運算在當今世界最大的超算summit上則需要10000年才能完成。
谷歌CEO桑達爾·皮查伊（Sundar Pichai）為此撰文表示，這項工作是人類(lèi)首次在實(shí)驗上驗證了“量子優(yōu)越性”，它在量子計算的歷史上將具有里程碑的意義，因為它意味著(zhù)量子計算的時(shí)代將會(huì )到來(lái)。皮查伊將這項研究比作萊特兄弟的首飛，雖然當時(shí)的飛行器非常簡(jiǎn)陋，飛行時(shí)間只持續了12秒，完全沒(méi)有實(shí)用價(jià)值，但這卻是人類(lèi)邁向天空的第一步，隨之而來(lái)的是人類(lèi)征服了整個(gè)天空。
如果這真的是一場(chǎng)革命而非宣傳性的嘩眾取寵，如果量子計算的時(shí)代將會(huì )到來(lái)，那么我們應當知道些什么？
一、原理
量子計算最早是由物理學(xué)家費曼80年代早期在一次演講中提出的，不同于傳統的計算機，量子計算機用來(lái)存儲數據的對象是量子比特，它使用量子算法來(lái)進(jìn)行數據操作。
抽象來(lái)講，傳統計算機就是一個(gè)“對輸入信號序列按照一定算法進(jìn)行變換的機器，其算法由計算機內部邏輯電路實(shí)現”[1]。例如輸入信號序列為“0”，對其進(jìn)行“非”操作，NOT(0) = 1。這種邏輯方式對我們來(lái)講是非常容易理解的，正像牛頓力學(xué)來(lái)源于經(jīng)驗一樣，傳統計算機的邏輯方式與我們日常經(jīng)驗的“要么是（1），要么非（0），非的反面為是（NOT(0) = 1）”吻合。
然而我們的日常生活也并非完全的“是”“非”分明，往往則是“是”中有“非”，“非”中有“是”，“是”或“非”只是事態(tài)的兩個(gè)極端。在量子力學(xué)中，正是這種思維。
量子力學(xué)中常用“態(tài)”（這是一個(gè)希爾伯特空間的向量）來(lái)描述一個(gè)系統。例如傳統計算機的輸入序列01，用量子力學(xué)的語(yǔ)言描述即|01>。傳統計算機中態(tài)與態(tài)（向量與向量）之間只能是正交的，例如|01>與|00>不可能同時(shí)出現，這本質(zhì)上就是或“是”或“非”的觀(guān)點(diǎn)。顯然對于這些正交態(tài)的操作也必須是正交的變換。
然而在量子計算機中，擴展了傳統計算機原有的限制。量子計算機的輸入用一個(gè)具有有限能級的量子系統來(lái)描述（這樣才能有確定的離散態(tài)），如二能級系統（qubits）。對于具有兩比特的量子計算機來(lái)講，其輸入態(tài)的表示為
也即這四種狀態(tài)可以是同時(shí)存在的（取決于前面的系數，你可以簡(jiǎn)單理解為四個(gè)相互正交的向量之間的疊加）。由于表示上沒(méi)有限制，在量子計算機中的變換（即量子計算）則包括了所有可能的正變換。得出輸出態(tài)之后，量子計算機對輸出態(tài)進(jìn)行一定的統計測量，從而便可以得到計算結果。
從以上對比可以看出，傳統計算機中的狀態(tài)只是量子計算機中多個(gè)疊加分量中的一個(gè)，傳統計算機上一次只能對其中一個(gè)分量進(jìn)行一次操作（A），例如A |00> = |01>。然而量子計算機上的每一次操作同時(shí)作用在所有的疊加分量上，
所有這些傳統計算可以同時(shí)完成，并按一定的概率振幅疊加起來(lái)，給出量子計算機的輸出結果。這便是量子并行計算。
可以做個(gè)類(lèi)別，傳統計算機在半導體器件就像是一個(gè)單一的樂(lè )器，一個(gè)拍子一個(gè)聲音；而量子計算機則是一個(gè)交響樂(lè )團，一個(gè)拍子可以同時(shí)發(fā)出許多高低不同、音色不同的聲音。[1]
按照這種邏輯，如果是一個(gè)10位元的量子計算機，它的一次操作便等同于傳統計算機1024（2^10）次操作。當位元數增大時(shí)，這種比例還要以指數級增長(cháng)，例如一個(gè)40位元的量子計算機，就能在很短時(shí)間內解開(kāi)1024位元計算機花上數十年解決的問(wèn)題。
為開(kāi)拓出量子計算機巨大的并行處理能力，必須尋找適用于這種量子計算的有效算法，畢竟算法是計算的靈魂。
1994年，Shor開(kāi)發(fā)除了第一個(gè)量子算法，可以用多項式的復雜度進(jìn)行大數因子分解，可以在秒的時(shí)間量級上實(shí)現1000位數的因子分解，而同樣的問(wèn)題在傳統計算機上可能需要10^25年才能完成。
1997年Grover發(fā)現了一個(gè)真正有實(shí)用價(jià)值的量子算法，即所謂的量子搜索算法，可以平方根地加速無(wú)序數據庫的搜索，從100萬(wàn)個(gè)無(wú)序電話(huà)號碼中平均只需要操作1000次便可以獲得正確答案，而經(jīng)典的方法則平均需要50萬(wàn)次。
這些算法顯示出量子計算機具有超越經(jīng)典計算機的強大功能，立即引起了學(xué)術(shù)界和西方國家的國防安全部門(mén)的重視，這也極大地推動(dòng)了量子計算機研究的發(fā)展，從此量子計算機的研究也成為了國際上持續的前沿研究領(lǐng)域。
二、技術(shù)路線(xiàn)
對于稍微了解量子力學(xué)的人來(lái)講，量子計算機的原理都是非常簡(jiǎn)單的。但是如何去設計并制造出這樣一臺能夠實(shí)用的量子計算機呢？這給相關(guān)的研究人員提出了巨大的實(shí)驗上和理論上的挑戰。
對于如何在硬件上實(shí)現量子計算機，經(jīng)過(guò)幾十年的探索，目前來(lái)看有以下幾種方法[2]：
所謂“囚禁離子”，即用精心調制的激光脈沖制造一個(gè)勢能阱來(lái)困住離子，使它們進(jìn)入疊加態(tài)。這也是最早使用的量子邏輯門(mén)背后的技術(shù)。這種技術(shù)有完美的再現性（reproductivity），長(cháng)生命周期，不錯的激光可控性，但實(shí)現起來(lái)卻并不容易，在17年的時(shí)候，研發(fā)這一技術(shù)的ionQ也僅能把五個(gè)量子比特加入到可編程設備中。
隨著(zhù)超導技術(shù)的發(fā)展，2010 年開(kāi)始，囚禁離子技術(shù)遭遇了強大的挑戰者： 超導體制成的電流回路。這方面的技術(shù)代表是谷歌和IBM（所以可以想見(jiàn)為什么當谷歌發(fā)表“量子優(yōu)越性”的研究時(shí)IBM第一個(gè)站出來(lái)質(zhì)疑，不是冤家不聚頭）。所謂超導體是由接近絕對零度時(shí)、電阻為0的物質(zhì)。量子比特的 0 和 1 由不同的電流強度表示。該技術(shù)有許多吸引人的優(yōu)點(diǎn)：1、電流回路可以被肉眼觀(guān)察到 ；2、使用簡(jiǎn)單的微波儀器就能控制，不需要對操作要求苛刻的激光；3、使用傳統計算機芯片制造技術(shù)就能生產(chǎn)；4、運轉速度非?？?。但是，超導技術(shù)有一個(gè)致命缺陷：環(huán)境噪音。即使是控制設備的噪音，也能在遠遠不足一微秒的瞬間擾亂量子疊加。如今工程技術(shù)的優(yōu)化，已使電路的穩定性提高了近百萬(wàn)倍，所以量子疊加狀態(tài)可以維持數十微秒，但這仍遠遠不如離子。
其他另辟蹊徑的包括D-Wave的量子退火方法。2007 年，加拿大初創(chuàng )公司 D-Wave Systems 宣布，他們使用 16 個(gè)超導量子比特成功制成量子計算機。這個(gè)宣布最初震驚了世界，不過(guò)人們發(fā)現D-Wave 的機器并沒(méi)有使所有的量子比特發(fā)生糾纏，并且不能一個(gè)量子比特接著(zhù)一個(gè)量子比特地編程，而是使用了“量子退火”的技術(shù)，每個(gè)量子比特只和臨近的量子比特糾纏并交互，這并沒(méi)有建立起一組并行計算，而是一個(gè)整體上的、單一的量子狀態(tài)。D-Wave 開(kāi)發(fā)者希望把復雜的數學(xué)問(wèn)題映射到該狀態(tài)，然后使用量子效應尋找最小值。對于優(yōu)化問(wèn)題（比如提高交通效率的）來(lái)說(shuō)，這是一項很有潛力的技術(shù)。但批評者們指出：D-Wave 并沒(méi)有攻克許多公認的量子計算難題，比如錯誤修正。包括谷歌和洛克希德馬丁在內的幾家公司，購買(mǎi)并測試了 D-Wave 的設備，他們初步的共識是，D-Wave 做到了一些能稱(chēng)之為量子計算的東西，而且在處理一些特定任務(wù)時(shí)，他們的設備確實(shí)比傳統計算機要快。
其次是英特爾為代表的硅量子點(diǎn)技術(shù)，這也經(jīng)常被稱(chēng)為“人造原子”。一個(gè)量子點(diǎn)的量子比特是一塊極小的材料，像原子一樣，它身上電子的量子態(tài)可以用來(lái)作為疊加態(tài)。不同于離子或原子，量子點(diǎn)不需要用激光來(lái)困住它。早期的電子點(diǎn)用幾近完美的砷化鎵晶體制作，但研究人員們更傾向于硅，因為可以借助半導體產(chǎn)業(yè)的巨大產(chǎn)能。但目前來(lái)看，基于硅的量子比特研究，大大落后于囚禁離子和超導量子技術(shù)。
另一個(gè)具有代表性的則是微軟選擇的基于非阿貝爾任意子（nonabelian anyons）的拓撲量子比特（ topological qubits）。這些已經(jīng)不再是具體的物體，而是沿著(zhù)物質(zhì)邊緣游動(dòng)的準粒子（quasiparticles），它們的量子態(tài)由不同的交叉路線(xiàn)（braiding paths）來(lái)實(shí)現。因為交叉路線(xiàn)的形狀導致了量子疊加，它們會(huì )受到拓撲保護（topologically protected）而不至于崩潰，這類(lèi)似于打結的鞋帶不會(huì )散開(kāi)。這也意味著(zhù)，理論上拓撲量子計算機不需要在錯誤修正上花費那么多量子比特。不過(guò)這種技術(shù)最終是否能夠在實(shí)驗上做出來(lái)，仍然待定。
鉆石空位的方法本質(zhì)上即利用鉆石中的瑕疵作為量子比特。具體來(lái)講，鉆石的碳原子形成了正四面體的結構，而研究者將其中的一個(gè)碳原子替換為氮原子，形成一個(gè)氮晶格空位中心，游離的氮原子核和多出的一個(gè)電子共同構成了兩個(gè)量子比特。（更準確地說(shuō)，是用它們的“自旋”來(lái)作為量子比特）這種方法不需要低溫、激光等極端技術(shù)要求，室溫下即可實(shí)現，但缺點(diǎn)在于并不是那么容易實(shí)現量子態(tài)的糾纏。
這里需要指出的是，盡管當前各家企業(yè)在媒體中都有炒作其在該領(lǐng)域的先進(jìn)性，但事實(shí)上沒(méi)有人對量子計算有足夠的了解，未來(lái)的量子計算機最終會(huì )采用哪種技術(shù)并沒(méi)有定論。甚至有人認為“未來(lái)的量子計算機很可能是一個(gè)混合體，由超快的超導體量子比特對算法進(jìn)行運算，然后把結果扔給更穩定的離子存儲；與此同時(shí)，光子在機器的不同部件之間或量子網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)之間傳遞信息?！?/p>
三、量子優(yōu)越性
量子計算機的研制是一個(gè)極具挑戰且周期可能較長(cháng)的工作，盡管近年來(lái)量子計算的規模逐漸發(fā)展到50個(gè)左右，但真正具備實(shí)用化的通用量子計算機可能只是需要10萬(wàn)-100萬(wàn)量級的量子比特。因此為了推動(dòng)量子計算機的研制，就必須把整個(gè)過(guò)程劃分為一個(gè)個(gè)的小目標，根據這些小目標來(lái)不斷向最終的成功靠近。
今年9月份在合肥舉辦的新興量子技術(shù)國際大會(huì )的白皮書(shū)上提到了當前量子計算的研究路線(xiàn)：“為了領(lǐng)域的健康長(cháng)期發(fā)展，除了要在基礎研究領(lǐng)域做好操縱精度、可容錯之外，規?；?、實(shí)用性的量子計算研究可以沿如下路線(xiàn)開(kāi)展。第一個(gè)階段是實(shí)現‘量子優(yōu)越性’，即量子模擬機針對特定問(wèn)題的計算能力超越經(jīng)典超級計算機，這一階段性目標可在近期實(shí)現。第二個(gè)階段是實(shí)現具有應用價(jià)值的專(zhuān)用量子模擬系統，可在組合優(yōu)化、量子化學(xué)、機器學(xué)習等方面發(fā)揮效用。第三個(gè)階段是實(shí)現可編程的通用量子計算機，能在經(jīng)典密碼破解、大數據搜索、人工智能等方面發(fā)揮巨大作用。實(shí)現通用可編程量子計算機還需要全世界學(xué)術(shù)界的長(cháng)期艱苦努力?！?[4]
谷歌量子 AI 團隊所針對的問(wèn)題正是隨機量子線(xiàn)路采樣。據中科大黃合良博士介紹，所謂隨機量子線(xiàn)路，即“隨機從一個(gè)量子門(mén)的集合中挑選單比特量子門(mén)，作用到量子比特上，每作用一層單比特量子門(mén)，就會(huì )接著(zhù)做一層兩比特量子門(mén)，多次重復這樣的操作后，測量最終的量子態(tài)，即完成一次采樣?！盵4] 已經(jīng)有很多理論證明了隨機量子線(xiàn)路采樣的困難性，但這種問(wèn)題卻比較適合在二維結構的超導量子計算芯片上實(shí)現，這也是谷歌選擇這個(gè)問(wèn)題的原因。
我們來(lái)看“量子優(yōu)越性”的定義：量子模擬機針對特定問(wèn)題的計算能力超越經(jīng)典超級計算機。這里的“特定問(wèn)題”，即經(jīng)過(guò)精心設計，非常適合于量子計算設備發(fā)揮其計算潛力的問(wèn)題。例如隨機量子線(xiàn)路采樣、IQP 線(xiàn)路、玻色采樣等[4]。
另外還有IQP線(xiàn)路、玻色采樣的問(wèn)題。值得一提的是，中科大的相關(guān)團隊一直在嘗試解決光子玻色采樣的問(wèn)題，并處于國際領(lǐng)先地位。且巧合的是在谷歌發(fā)布研究的同一天，中科大在在arXiv上公布了他們的最新成果（arXiv: 1910.09930）：20光子輸入60*60模式的玻色采樣?！罢撐拇蚱屏斯庾訑?、模式數、量子態(tài)空間三項國際記錄，宣稱(chēng)首次達到了百萬(wàn)億級的輸出量子態(tài)空間，比之前國際光學(xué)同行的工作提高了百億倍。中國團隊有望在光學(xué)玻色采樣問(wèn)題上實(shí)現量子優(yōu)越性?！盵4]
回到谷歌最新聲稱(chēng)的實(shí)現“量子優(yōu)越性”的事情上。為了證明“量子優(yōu)越性”，谷歌選擇了目前世界排名第一的超算“Summit”進(jìn)行對比。論文中提到他們在自己的量子芯片Sycamore上進(jìn)行53比特（本來(lái)是6×9=54個(gè)量子比特，但不幸壞了一個(gè)，但因為壞掉的那個(gè)在邊緣，因此基本上不影響最終實(shí)驗結果）、20深度的量子隨機線(xiàn)路采樣，如前面提到的，用時(shí)200秒可以采樣100萬(wàn)次，且結果的保真度約0.2%；相同的操作在Summit上，谷歌預計要耗時(shí)1萬(wàn)年（保真度0.1%）。谷歌也正是基于這種對比而宣稱(chēng)的“量子優(yōu)越性”。
事實(shí)上，從今年6月份便一直有媒體傳言谷歌實(shí)現了“量子優(yōu)越性”。但直到9月20日，英國《金融時(shí)報》首次有實(shí)錘地報道了谷歌“200秒與10000年”的量子優(yōu)越性的研究，當時(shí)引起了圈內人士特別的重視。但谷歌迅速刪除了發(fā)布在NASA網(wǎng)站上的文章。
但10月21日，在量子計算領(lǐng)域與谷歌有競爭關(guān)系的IBM同時(shí)發(fā)布論文和博客指稱(chēng)，谷歌所謂要花1萬(wàn)年的計算，傳統計算機事實(shí)上在2.5天內就能完成，也即可能稍微再優(yōu)化一下算法或硬件的配置，谷歌所謂的“優(yōu)越性”可能就不再是“優(yōu)越”了。
黃合良博士解釋說(shuō)：“量子優(yōu)越性” 代表了兩個(gè)方面的競爭，一方面量子芯片的比特數和性能不斷擴張，在某些問(wèn)題上展現出極強的計算能力；另一方面，經(jīng)典算法和模擬的工程化實(shí)現也可以不斷優(yōu)化，提升經(jīng)典算法的效率和計算能力。所以，如果能夠提升經(jīng)典模擬的能力，那么谷歌的量子設備有可能就無(wú)法打敗最強超算，從而“稱(chēng)霸”失敗。實(shí)際上這是極有可能的，因為谷歌也無(wú)法保證他們在做經(jīng)典模擬時(shí)已經(jīng)達到了最優(yōu)，包括他們所使用的薛定諤-費曼算法，以及對超算工程化實(shí)現的優(yōu)化。[4]
在隨后谷歌進(jìn)行的一場(chǎng)媒體溝通會(huì )上，面對記者的提問(wèn)，谷歌AI量子的研究人員表示：“我們已經(jīng)擺脫了傳統計算機的束縛，走向了新的道路。我們歡迎提高仿真技術(shù)的建議，盡管對我們來(lái)說(shuō)，在實(shí)際的超級計算機上對其進(jìn)行測試至關(guān)重要?！盵5]
四、未來(lái)之路
無(wú)論谷歌這次的工作是否真的驗證了“量子優(yōu)越性”，2019年或2020年都將成為量子計算的轉折點(diǎn)。近幾年，以上提到的各種量子計算機的體系都有很大的進(jìn)展，例如以谷歌為代表的超導回路的技術(shù)體系已經(jīng)突破了50比特的規模，而離子、原子體系也已經(jīng)突破了20比特，光子體系突破了18比特糾纏。[4]
圖片來(lái)源[6]
因此可以預期的是，在接下來(lái)的時(shí)間里將會(huì )有一大批的企業(yè)、高校實(shí)現“量子優(yōu)越性”，然后集體奔向下一個(gè)目標，即實(shí)現具有應用價(jià)值的專(zhuān)用量子模擬系統。
就谷歌來(lái)講，他們接下來(lái)的將是：1）擴大量子系統的規模，從50的量級進(jìn)一步地提升以達到能夠使用的規模，例如10^3；2）提高操作的精度，將錯誤率降下來(lái)，目前他們的錯誤率還在1%的水平，他們的下一步目標則是將錯誤率降到1/1000。
伴隨著(zhù)這樣的提升（從前面的一張圖上可以看出），量子計算將在部分的任務(wù)上進(jìn)入實(shí)用性階段，例如對于生物分子的量子模擬、構建量子機器學(xué)習、對物理中的能帶隧穿進(jìn)行量子優(yōu)化等。
再下一步才會(huì )是真正的通用量子計算機，這要求量子比特數達到10^6，錯誤率則要更低。從此至彼，會(huì )是多久呢？也許只是十年。
量子計算領(lǐng)域內的突破值得人類(lèi)為之興奮，谷歌量子優(yōu)越性論文的發(fā)布也標志著(zhù)人類(lèi)走進(jìn)了這一科研領(lǐng)域的新階段，創(chuàng )新精神是推動(dòng)科技發(fā)展的內核，而階段性的成無(wú)疑是鼓舞我們繼續前行最好的加速器。
參考資料：
[1] 維基百科，https://zh.wikipedia.org/wiki/量子計算機
[2] 雷鋒網(wǎng)，https://www.leiphone.com/news/201612/uOX4ljLm4tZcDVNC.html
[3] 科學(xué)網(wǎng)，http://news.sciencenet.cn/htmlpaper/20124181049520523537.shtm
[4] 知識分子，http://zhishifenzi.blog.caixin.com/archives/214567
[5] 大數據文摘，https://cloud.tencent.com/developer/article/1528974
[6] 科工力量，https://mp.weixin.qq.com/s/8Sh3Hf1VRv2QTplT1VWJeg
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