这场举世瞩目的「量子霸权」争夺赛遇到了理论困境

编译 | 张震、樊晓芳

来源 | Nature

作者 | Richard Haughton

「还真没法简单地说明白一台量子计算机是如何超越一台经典计算机的。」Philip Ball说道。

 

「量子霸权(Quantum Supremacy)」这个词听起来总感觉是在暗示人类某些将要发生的可怕的事件,就像《终结者》电影的结局,抑或一场失败的政治运动。

 

其实,它指代的仅是一个计算机发展的阶段,在这个阶段量子计算机在解决某些特定问题上的运算能力会远超目前所能见到的任何经典计算机。

 

「量子霸权」这个词是由加州理工学院量子理论学家 John Preskill [1] 在 2012 年创造的。由于量子计算机距离我们并不遥远,该词一经创造,就立刻获得了大家的认可和引用。依照大多数量子计算支持者们的观点,在今年年底就有可能见证量子计算的诞生。

 

但用「量子霸权」这个名词来指代这样的阶段真的有道理吗?

 

其实无需经过深度的思考我们就能发现很多问题。比如,人们通过什么样的方法能测量和判定量子计算机会比经典计算机更加优秀?量子计算机可以用来解决哪些问题?如果届时不是用经典计算机作为参照物,科学家又怎么知道量子计算机在性能上已获得成功?

 

一些评论家曾大胆预言,量子技术将在不久以后主导信息技术产业。而相对于评论家的兴奋,计算机科学家和工程师则更加冷静地看待此事,他们并不将量子霸权视为一个节点性的突破,而是一种象征性的概念,通过这种概念从而将两种计算方式区分开来。当然,你也可以将其看成是一个很简洁的广告口号。

 

 图为 IBM 的一个包含 50 个量子比特系统的低温恒温器

 

神奇的数字

 

量子计算机可以根据量子规则操纵信息比特,而量子规则可以对最小尺度的物质的行为进行管理。在量子世界中,信息可由量子比特(量子位)进行编码,形象地说是由多个二进制 0 和 1 组成的量子态。通过将量子比特持续控制在相干量子叠加态——这时的量子比特间是互相关联的,并不是像经典计算机电路中每个比特(晶体管)是互相独立的——量子计算机就能进行更高效的计算,并且比经典计算机使用更少的(量子)比特,并且运算地更快。

 

IBM 和谷歌均已研发出了量子计算设备的原型机。11 月 10 日,IBM 宣布,其已研发出了一个 20 量子比特的设备,可以通过云端向公众提供量子计算算力。IBM 的计算机科学家也在同一天表示,他们也成功测试了一个 50 量子比特的电路。与此同时,谷歌也同样在研发拥有 49-50 个量子比特的设备,研究人员希望能在今年年底实现量子霸权 [2]。

 

量子计算机真的能够做一些经典计算机无法实现的运算,还仅仅是因为人们还没有在经典计算机上找到一个好的、足够智能的经典算法来做这样的运算,我们不得而知。但这也让量子霸权在理论层面成为了一个非常有意思的挑战:是否真的有存在一些问题能精准地证明量子计算能做经典计算无法完成的任务?

 

取样问题是大家最热衷讨论的一类问题,它将有效随机比特转化成来自预定义概率分布的比特,从而可在量子计算机上实现更高效地计算。John Martinis 率领的在加州圣巴巴拉市的谷歌团队已对在量子计算机上进行这样的采样机制进行了实验流程的描述,并声称,当其量子计算机达到 50 个量子比特的水平就可实现量子霸权。

 

由于这篇论文,50 个量子比特已变成一个标杆性的数字。这就是为什么,在 Edwin Pednault 与其在纽约约克敦海茨的 IBM 托马斯·J·沃森研究中心的同事们发布的一篇预印本论文 [3] 中写道,只要有足够精巧的装置,49 个量子比特的问题完全能通过经典计算机模拟。这一言论被一些新闻报告解读为是对谷歌利用仅仅 50 个量子比特就可以实现量子霸权的挑战。

 

与深度更相关

 

但事情并非完全如此。量子计算专家目前发现他们的研究思路被他们自己的研究工作所束缚:量子计算的成功并不仅是量子个数的问题。测量量子电路能力的主流指标之一是所谓的「深度(depth)」,即在量子比特相干性消失前一个量子比特系统能进行多少个逻辑运算(门),因为当量子比特退相干后计算错误就会激增,系统也没法进行近一步计算。量子比特之间是如何连接的问题也同样很重要。所以衡量量子电路的能力的真实方法是需要综合考虑一系列因素的,IBM 研究院称这些因素为「量子体积(quantum volume)」。

 

这也意味着,量子计算可以挑战的任务范围还依赖于规则系统的深度,不仅仅是可运用的量子比特的数量。Martinis 说,「IBM 的论文仅关注了浅层问题,因此称其在 49 个量子比特级别还能进行经典运算也并不奇怪了」,「但我们谷歌意识到,浅层电路更容易进行经典计算」,他说道,「这个情况已经在我们之前的论文里提到了。」

 

MIT 计算机科学家 Scott Aaronson 也认为 IBM 的研究工作并没有对实现量子霸权有明显的推动作用。「论文不错,创造了通用量子回路的经典模拟的新纪录,但是,这并没有削弱量子霸权实验的合理性。」

 

实际上,真相几乎是相反的:IBM 的那篇论文称使用经典计算机来模拟 49 个量子比特的电路是可行的,这是谷歌已规划的量子霸权测试的前提。因为这是我们所指的能检测实验结果的唯一办法。

 

其实,这篇论文展现的是如何在可行性边界处验证量子计算结论,因此当超越这一边界时,计算机科学家和工程师就能自信地认为造量子计算机也是没问题的。

 

量子霸权这个目标,类似于「以最快的速度爬山,不过大家还能从山脚看着你。」Aaronson 说,

 

这些观点似乎也与 IBM 团队自己的观点一致。

 

「我认为,从我们研发出的模拟办法可以得出一个合理的结论,量子霸权应被合理地视为一个程度的问题,而不是一个绝对的界限值。」Pednault 说,「我和成员更青睐使用『量子优势』这样的表达方式,来强调这一看法。」

 

IBM 的理论科学家 Jay Gambetta 也表示赞同,若仅从字面上解读「量子霸权」这个说法的话并没有太多的意义。

 

「我并不认为量子霸权代表着我们将会实现并会宣布胜利的那一种神奇时刻。在我看来,这些『霸权』实验更像是一套来帮助开发量子设备的基准实验。」

 

Pednault 说,「在任何时候,实现量子霸权,不应该被错误理解是一个量子计算对经济和社会产生重大影响的某个特定时刻。还有很多科研难题等着我们。」

 

当然,这仍属于应用科学的范畴。量子霸权的提出本身就激发了一个很棒的理论难题,但对于量子计算机可为社会做些什么,还所言甚少。

 

Reference:

[1] Preskill, J. Preprint at https://arxiv.org/abs/1203.5813 (2012).

[2] Neill, C. et al. Preprint at https://arxiv.org/abs/1709.06678 (2017).

[3] Pednault, E. et al. Preprint at https://arxiv.org/abs/1710.05867 (2017).

 

 

注:虽然小编认为将「Quantum Supremacy」这个名词按字面意思翻译成「量子霸权」并不是很合适,但考虑到大家的阅读习惯和对概念的指代理解,但仍保留「量子霸权」的中文翻译。

 

 

原文链接:http://www.nature.com/news/race-for-quantum-supremacy-hits-theoretical-quagmire-1.22993?from=timeline

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