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上個(gè)月，谷歌「實(shí)現量子霸權」的消息占據各大媒體的頭版頭條?！敦敻弧?、《金融時(shí)報》等多家外媒報道稱(chēng)，谷歌用一臺 53 量子比特的量子計算機實(shí)現了傳統架構計算機無(wú)法完成的任務(wù)，在世界第一超算需要計算 1 萬(wàn)年的實(shí)驗中，谷歌的量子計算機只需 3 分 20 秒。但近日，IBM 站出來(lái)反駁了這一說(shuō)法，稱(chēng)谷歌的實(shí)驗存在缺陷，「實(shí)現量子霸權」的說(shuō)法也有待商榷。他們認為，在經(jīng)典計算機上模擬谷歌量子計算機的結果其實(shí)只需要2.5天，而且保真度要高得多。

早在消息傳出的第一時(shí)間，IBM 的研究主管 Dario Gil 就提出過(guò)質(zhì)疑，稱(chēng)「該實(shí)驗和『霸權』這種字眼幾乎會(huì )對所有人產(chǎn)生誤導?！?/section>

時(shí)隔一個(gè)月，IBM 終于拿出了重量級的反駁依據。

昨天，IBM 的研究者在 arXiv 上發(fā)表了一篇名為《Leveraging Secondary Storage to Simulate Deep 54-qubit Sycamore Circuits》的論文，稱(chēng)在經(jīng)典超級計算機上模擬谷歌的量子電路根本不需要一萬(wàn)年，2 天半就能做到。當然，這個(gè) 2 天半也是估算。

論文：https://arxiv.org/pdf/1910.09534.pdf

在之前的一篇論文中，IBM 的研究者曾證明二級存儲（Secondary Storage，即計算機主存儲器或內存之外的所有可訪(fǎng)問(wèn)數據存儲器）可以擴展經(jīng)典計算機能夠實(shí)際模擬的量子電路的范圍。于是，他們將這種方法用到了谷歌 Sycamore 電路（谷歌「量子霸權」實(shí)驗中用到的電路）的模擬中。他們估計，在橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室的世界第一超算 Summit 上，二次存儲可以用來(lái)模擬谷歌 53、54 量子比特的 Sycamore 電路，而且對任意深度都具有高保真度。

谷歌的 Sycamore 量子電路是一種「通用隨機電路」。電路中一個(gè) 20 個(gè)周期的糾纏模式——ABCDCDAB 是專(zhuān)門(mén)為挑戰經(jīng)典模擬算法而設計的，已經(jīng)被證明很難用其他方法在經(jīng)典計算機上進(jìn)行模擬。IBM 的科學(xué)家估計，用二級存儲模擬谷歌 Sycamore 電路只需花費 2 天半的計算時(shí)間。

這些計算雖然沒(méi)有進(jìn)行，但 IBM 的研究者在論文中詳細描述了模擬策略和時(shí)間估算方法，這些都基于之前發(fā)布的結果和內部基準。

也就是說(shuō)，谷歌并未完全利用如今超級計算機的算力，因此他們宣稱(chēng)的測試結果是有問(wèn)題的。

在近日發(fā)表的博客中，IBM 專(zhuān)家做了詳細的闡述。機器之心整理如下：

谷歌量子霸權測試有缺陷

如今，量子計算領(lǐng)域的最新進(jìn)展帶來(lái)了兩個(gè) 53 量子比特的處理器，一個(gè)來(lái)自 IBM 的處理器，另一個(gè)是谷歌論文中所描述的設備。

 在論文中，谷歌生成自己的設備實(shí)現了量子霸權：「一臺最先進(jìn)的超級計算機將需要大約一萬(wàn)年的時(shí)間來(lái)執行相同的任務(wù)?！?/section>

但 IBM 認為，同樣的任務(wù)，傳統系統兩天半就可以執行理想的仿真，且保真度更高。IBM 還表示，這是一個(gè)保守的、最壞情況下的估計，通過(guò)進(jìn)一步的優(yōu)化，模擬的成本還可以再降低。

量子霸權一詞，由加州理工學(xué)院的量子理論學(xué)家 John Preskill 在 2012 提出，最初的含義是指量子計算機可以完成傳統計算機無(wú)法完成的工作。IBM 表示，這一臨界值目前還沒(méi)達。

在「實(shí)現量子霸權」的那篇論文中，谷歌進(jìn)行了一個(gè)隨機電路實(shí)驗，該實(shí)驗被認為無(wú)法在任何現有的經(jīng)典計算機上進(jìn)行模擬。具體來(lái)說(shuō)，該論文展示了一個(gè)在 53 量子比特的量子計算機上進(jìn)行的實(shí)驗，在實(shí)驗中，研究者實(shí)現了一個(gè)深度為 20 的雙比特門(mén)量子電路，包括 430 個(gè)雙量子比特和 1113 個(gè)單量子比特門(mén)，總體保真度預計為 0.2%。他們估計經(jīng)典計算機需要 10000 年才能完成計算的說(shuō)法基于以下觀(guān)察：在薛定諤式（Schr?dinger-type）的模擬中，存儲完整狀態(tài)向量所需的 RAM 內存過(guò)高，因此，我們需要借助薛定諤-費曼（Schr?dinger-Feynman）模擬方法，犧牲空間來(lái)?yè)Q取時(shí)間。

「量子霸權」的概念展現的是量子計算機的獨特之處，譬如直接進(jìn)行「糾纏態(tài)」和「疊加態(tài)」。然而，傳統計算機也有自己的方法，例如存儲器層次結構、硬件高精度計算、各種軟件配置和強大的算法庫。IBM 認為，在比較傳統計算和量子計算的時(shí)候，要注意權衡這些要素。

在和經(jīng)典計算進(jìn)行比較的時(shí)候，谷歌依賴(lài)的是一種利用并行、快速、無(wú)誤計算的高級模擬以及很大的聚集（aggregate）RAM，但沒(méi)有充分考慮足夠的磁盤(pán)存儲空間。相比之下，IBM 的薛定諤式經(jīng)典模擬同時(shí)用 RAM 和硬盤(pán)空間來(lái)存儲和操作狀態(tài)向量。他們的模擬方法利用了電路劃分（circuit partitioning）、張量收縮遞延（tensor contraction deferral）、門(mén)聚合（gate aggregation）、batching 等性能增強技術(shù)以及精心設計的聚合通信和其他一些著(zhù)名的優(yōu)化方法，以實(shí)現混合節點(diǎn)的 CPU 和 GPU 部件上發(fā)生的計算之間的通信重疊。

圖 1：預期經(jīng)典計算時(shí)間與谷歌 Sycamore 電路的電路深度分析。藍線(xiàn)估計了 53 量子比特處理器的經(jīng)典計算運行時(shí)間（電路深度為 20 時(shí)需要兩天半），橙線(xiàn)估計了 54 量子比特處理器的經(jīng)典計算運行時(shí)間。

IBM 表示，自己的模擬方法具有很多并不會(huì )直接從經(jīng)典世界轉移到量子世界的良好特性。例如，一旦以經(jīng)典方法計算，則完整狀態(tài)向量可以實(shí)現任意多次訪(fǎng)問(wèn)。IBM 模擬方法的運行時(shí)間隨電路深度呈近似線(xiàn)性擴展 (見(jiàn)上圖 1)，不受有限相干時(shí)間等條件的限制。新的更好的經(jīng)典硬件、更有效利用經(jīng)典硬件的優(yōu)化代碼以及利用 GPU-direct 通信來(lái)運行某種最強模擬，這些都可以極大地加速模擬。

最終，IBM 表示，谷歌的實(shí)驗很好地展示了超導量子計算的進(jìn)展，也展示了 53 量子比特設備上的 SOTA 門(mén)保真度，但不應被視為量子計算機實(shí)現對傳統計算機「霸權」的證明。

量子霸權：過(guò)于搏眼球

除了反駁谷歌「實(shí)現量子霸權」，IBM 還「吐槽」了「量子霸權」這一詞。

我們知道，作為國際上兩家全力推進(jìn)量子計算研發(fā)的頂級科技巨頭，谷歌提出「量子霸權（quantum supremacy）」，IBM 提的是「量子優(yōu)勢（quantum advantage）」。

顯而易見(jiàn)，從名字上來(lái)說(shuō)后者要溫和得多。

最近，John Preskill 在 Quanta 雜志上發(fā)表了一篇文章《What I Call It 『Quantum Supremacy』》，討論了「量子霸權」一詞的起源，既有合理的辯護，也反思了其爭議之處。

在文中，Preskill 教授總結了公眾對這個(gè)詞的兩個(gè)主要反對意見(jiàn)。他解釋稱(chēng)，這個(gè)詞「使得對過(guò)度炒作的量子技術(shù)報道更加肆無(wú)忌憚」，并且「通過(guò)聯(lián)系到白人至上的理念，又引發(fā)了令人反感的政治立場(chǎng)」。

IBM 在博客中表示，這兩種反對意見(jiàn)都是合理的。IBM 還補充一點(diǎn)，「霸權」一詞正被幾乎所有人所誤解 (量子計算專(zhuān)家除外，他們可以把「霸權」一詞放在合適的語(yǔ)境中)，與「量子霸權實(shí)現」相關(guān)的標題也將不可避免地誤導公眾。首先，正如上文所爭論的那樣，根據其最嚴格的定義，「量子霸權」的目標尚未實(shí)現。但更重要的是，由于每種計算機都有其獨特的優(yōu)勢，量子計算機永遠不會(huì )「凌駕」于傳統計算機之上，而是與它們協(xié)同工作。

基于以上原因，IBM 認為，「量子霸權」一詞受到了廣泛的誤解，并帶來(lái)了混亂。

此外，IBM 還督促社區對「量子計算機首次做到了傳統計算機無(wú)法實(shí)現的一些事情」，這一聲明保持懷疑態(tài)度，因為對度量指標建立合適基準是極其復雜的。

為了促使量子對社會(huì )產(chǎn)生積極影響，IBM 表示，未來(lái)的任務(wù)是繼續構建和廣泛應用更強大的可編程量子計算系統，這些系統可以重復性和可靠地實(shí)現廣泛的量子演示、算法和程序。這是在量子計算機中實(shí)現實(shí)際解決方案的唯一途徑。