谷歌实现量子霸权论文曝光圈内人士量子计算的里程碑事件

机器之心报导

机器之心编辑部

毫无疑问，这会是量子核算范畴里的一个里程碑。

9 月 20 日，据《财富》、《金融时报》等多家外媒报导，谷歌现已运用一台 53 量子比特的量子核算机完结了传统架构核算机无法完结的使命，即在国际榜首超算需求核算 1 万年的试验中，谷歌的量子核算机只用了 3 分 20 秒。

这是迄今为止标明量子核算机逾越传统架构核算机，并走向实用化最为激烈的痕迹。尽管相关论文上传至 NASA 后不久即被删去，但仍是有眼疾手快的读者及时保存了论文。谷歌是否真的完结了量子霸权？这一试验是不是一个里程碑作业？读者可以去论文中寻觅答案。

论文链接：https://drive.google.com/file/d/19lv8p1fB47z1pEZVlfDXhop082Lc-kdD/view

这篇论文的摘要写道：量子核算机的诱人远景在于量子处理器上履行某项核算使命的速度要比经典处理器快指数倍，而根本性的应战是构建一个可以在指数级规划的核算空间中运转量子算法的高保真度处理器。在这篇论文中，谷歌研讨者运用具有可编程超导量子比特的处理器来创立 53 量子比特的量子态，占有了 2^53 10^16 的状况空间。重复性试验得到的测量值对相应的概率散布进行采样，并运用经典模仿加以验证。

谷歌的量子处理器大约只需 200 秒即可对量子电路采样 100 万次，而当时最优的超级核算机完结相同的使命大约需求 1 万年。这相关于一切已知的经典算法有了巨大的速度进步，是在核算试验使命中完结的量子霸权，预示着下一个万众瞩意图核算范式的到来。

假如读者想要了解量子核算终究是什么，可以看看下面这篇教程，它不需求咱们了解量子力学就能有一个全体的了解：

教程地址：https://arxiv.org/abs/1708.03684

研讨社区：这会是量子核算范畴一个里程碑

谷歌的论文敏捷在量子核算研讨社区内传达，而「谷歌完结量子霸权」的音讯也迅速传播，成为了上周末科学范畴的一个严重新闻。在知乎上，有关这一问题的评论瞬间招引了 3000 多万次点击。

量子霸权（quantum supremacy）是指量子核算在某些使命上具有逾越一切传统核算机的核算才能。谷歌的研讨人员宣称现已完结量子霸权，这意味着最新的量子核算机才能现已达到了现在最为强壮的超算也无法企及的程度——它可以在 3 分 20 秒内完结特定使命的运算，而现在国际排名榜首的超级核算机、美国能源部橡树岭国家试验室的「Summit」履行相同使命需求大约一万年时刻。

怎样点评谷歌宣称完结量子霸权的研讨？量子核算范畴出色科学家、原香港中文大学副教授、现腾讯量子试验室出色科学家张胜誉在获悉音讯之后标明，历史上谷歌硬件组一向做得很好，信任谷歌的研讨是有真实性的。量子霸权的完结取决于许多要素，重要的是谷歌确实完结了 50 比特以上、各方面参数挨近优异的体系，这一点难能可贵。

不过，张胜誉以为谷歌建议的量子核算双指数开展规律并不太或许完结。

麻省理工学院量子物理博士在读的 @ 少司命 则关于这篇论文进行了简略的解读：

在硬件方面，谷歌家一向用的是超导电路体系，这儿是 54 个物理比特 (transmon) 排成阵列，每个比特可以与接近的四个比特耦合在一起，耦合强度可调 (从 0 到大约 40MHz)。

文章最重要的部分，谷歌在多项式时刻内完结了对一个随机量子电路的采样，而在已知的经典核算机上需求的时刻则十分十分之久，像文中完结的最极点的比方是，对一个 53 比特 20 个 cycle 的电路采样一百万次，在量子核算机上需求 200 秒，而用现在人类最强的经典的超级核算机相同状况下则需求一万年。亦即在这个问题上，量子完结了对经典的逾越。*

这儿的 cycle 指的是对这些比特做操作的数目，一个 cycle 包括一系列单比特操作和双比特操作，可以近似了解为电路的深度 (circuit depth)。关于最大的电路，即 53 个比特 20 个 cycle 的状况，在量子处理器上做一百万次采样后得到 XEB 保真度大于 0.1% (5 倍置信度)，用时大约 200 秒。而要在经典核算机上模仿的话，因为比特数目许多整个的希尔伯特空间有 2^53~10^16 而且还有那么多电路操作，这现已超出了咱们现在超级核算机的才能 (within considerable time)。

就像文中举的另一个比方，用 SFA 算法大约需求 50 万亿 core-hour(大约是一个 16 核处理器运转几亿年吧), 加 10^13 kWh 的能量 (也便是一万亿度电...)，可以想见是多么难的作业了。而量子这个问题上为啥会比经典好也十分简略了解，用到的便是量子运算的并行性，即量子态可以是叠加态可以在多项式时刻内遍历整个希尔伯特空间，而经典核算机模仿的话需求的资源则是跟着比特数目指数添加的。

当然有没有或许是有些更好的经典采样算法和量子的差不多，仅仅咱们没有找到呢？文中没有给出很直接的答复，他们以为从复杂度剖析来讲经典算法总是会跟着比特数和 cycle 指数添加的，而且即便未来有一些更好的经典算法，到时分量子的处理器也开展了所以仍是会比经典的好。

终究 @ 少司命 以为，咱们关于谷歌新研讨感到振作的一起也要坚持清醒，咱们离着完结量子核算的彻底功力还有很远的间隔。硬件上有集成化的问题，比方这儿的超导比特体系要加微波 control 要谐振腔 readout，比特数目添加后有空间缺乏和 cross-talk 等各种问题，远远不止咱们图中看到的一个小芯片那么简略。再一个比特数多了电路深度大了怎样持续进步保真度也是很大问题，像这篇文章里 53 个比特到第十几个 circuit cycle 时分保真度只要 10 的负二次方量级了，怎样 decorrelate error 完结量子纠错，终究完结容错量子核算等等，这些都是硬件上的应战。

算法上，除了这儿的采样问题（由此延伸的可以处理的问题其实是十分有限的），又有哪些问题是可以证明量子比经典有明显优势的，可不可以规划一些算法使得量子核算机能处理经典不能处理的问题，或许量子比经典有明显的加快，就像文章终究所说的：

在 NISQ(noisy-intermediate scale quantum computer) 的时代 (如下图)，尽管咱们离绿色真实的容错通用量子核算机还很远，可是现在现已开端进入到蓝色区域信任在未来几年会有一些

当然，@ 少司命仅仅表达了自己的观点，至于论文终究怎样，咱们还需求自己去读一下。

被 NASA 删去的「量子霸权」论文

以下是谷歌论文《Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor》的大部分内容，供咱们参阅：

导言

20 世纪 80 时代前期，Richard Feynman 提出，量子核算机将成为处理物理、化学难题的有用东西，因为用传统核算机模仿大规划量子体系的开支呈指数级添加。完结 Feynman 所描绘的愿景需求面对理论和试验方面的严重应战。首要，量子体系能否被规划为一个满足大的核算（希尔伯特）空间来履行核算而且错误率够低、速度够快呢？其次，咱们能否提出一个对经典核算机来说很难但对量子核算机来说很简略的问题？谷歌的研讨者经过一个超导量子比特处理器在一个新的基准使命中处理了上面两个问题。该试验是迈向量子霸权的一个里程碑作业。

谷歌的研讨者经过试验证明，量子加快可以在实践国际的体系中完结，而且不受任何潜在物理定量的约束。量子霸权也预示着有噪声的中等规划量子（Noisy Intermediate- Scale Quantum，NISQ）技能的到来。该基准使命可以直接运用于生成可证明的随机数；这种核算才能也可以用于优化、机器学习、材料科学、化学等范畴。但是，彻底完结量子核算还需求规划具有容错才能的逻辑量子比特。

为了完结量子霸权，研讨者在差错校对方面也完结了许多技能打破。他们开发了快速、高保真门，可以在二维量子比特阵列上一起履行。他们运用穿插熵基准（XEB）在组件和体系层面校准了用到的量子核算机，并对其进行了基准测验。终究，他们运用组件级的保真度来精确猜测整个体系的功能，进一步标明量子信息在扩展至大型体系时体现与预期共同。

完结量子霸权的核算使命

为了展现量子霸权，研讨者在一个伪随机量子电路输出的采样使命中将他们的量子核算机与当时最强的超级核算机进行了比较。随机电路是进行基准测验的一个合理挑选，因为它们没有结构，因此可以确保有限的核算难度。研讨者经过重复运用单量子比特和双量子比特逻辑运算来规划一组量子比特羁绊的电路。对量子电路的输出进行采样，可以发生一组比特串（bitstring），如 。因为量子干与，比特串的概率散布类似于激光散射中的光搅扰发生的斑驳强度形式，因此，一些比特串比其他比特串更简略呈现。跟着比特数和门循环数量的添加，用经典核算机核算这种概率散布的难度呈指数级添加。

构建和表征高保真的处理器

图 1：Sycamore 量子处理器。a. 该处理器的布局，有 54 个量子比特，每个量子比特用耦合器（蓝色）与四个最近的量子比特相连；b. Sycamore 芯片的光学图像。

研讨者规划了一个名为「Sycamore 的」量子处理器，包括一个由 54 个 transmon 量子比特组成的二维阵列，每个量子比特都以可调的办法与周围四个最近邻的量子比特耦合。衔接是向前兼容的，运用表层代码进行差错批改。该设备的一个要害体系规划打破是完结高保真的单和双量子比特运算，这不仅是在阻隔的状况下，而且在对多个量子比特一起进行门运算的状况下，还能进行实践的核算。

论文将评论以下关键：

在一个超导电路中，导电电子凝集成微观量子态，使电流和电压具有量子物理特性。该量子核算机运用的是 transmon 量子比特，可以看做是 5-7GHz 的非线性超导谐振器。该量子比特被编码为谐振电路的两个最低量子本征态。每个 transmon 有两个操控器：一个用来激起量子比特的微波驱动器，另一个用来调整频率的磁通操控器。每个量子比特被衔接到一个用于读取其状况的线性谐振器。

如下图 1 所示，每个量子比特也运用一个新的可调耦合器与周围相邻的量子比特相连。该耦合器的规划可以完结从 0 到 40MHz 的量子间耦合快速调整。因为一个量子比特不能正常作业，该设备其实运用了 53 个量子比特和 86 个耦合器。

图 2. 体系规划的 Pauli 和测量差错。a.Pauli 差错（黑、绿、蓝）的经历累积散布函数和度数差错（橙）；b. 展现单量子比特和双量子比特 Pauli 差错的热图。

量子霸权的保真度估量

伪随机量子电路生成的门序列（gate sequence）如下图 3 所示。构成「量子霸权电路」的门序列规划用于将创立高度羁绊态（highly entangled state）所需的电路深度最小化，然后确保核算复杂性和经典难度。

图 3：量子霸权电路的操控操作。a. 试验中运用的量子电路示例；b. 单量子比特和双量子比特门的操控信号波形图。

图 4：量子霸权演示。

确认经典核算开支

谷歌研讨者模仿了试验中用在经典核算机上的量子电路，这样做是为了完结两个意图：（1）在或许的状况下经过可简化的电路来核算 F_XEB，从而验证量子处理器和基准测验办法（上图 4a）；（2）预算 F_XEB 以及采样硬件电路所需的经典核算开支（上图 4b）。在多达 43 个量子比特的状况下，研讨者运用薛定谔算法（SA）来模仿完好量子态的演化，发现 Jülich 超级核算机（10 万中心、250TB）能运转最大的用例。

假如超出 43 量子比特，则没有满足的 RAM 来存储量子态。关于量子比特数量更多的状况，研讨者运用薛定谔-费曼混合算法（hybrid Schr dinger-Feynman algorithm，SFA）在谷歌数据中心运转，以核算单个比特串的振幅。SFA 算法将电路分解为两个量子比特块，并在运用一种类似于费曼途径积分的办法将它们衔接起来之前，经过薛定谔算法高效地模仿每个量子比特块。尽管 SFA 算法更能节省内存，但跟着衔接量子比特块的途径和门数量的指数添加，电路深度也相应添加，因此该算法的核算开支也呈指数添加。

在谷歌云服务器上，研讨者做出估量，运用 SFA 算法履行 0.1% 保真度的同一使命（m = 20）将花费 50 万亿中心小时（core-hour），耗费 1 拍瓦（petawatt）时的能量。但是，对量子处理器上的电路采样 300 万次只需 600 秒，采样时刻受限于操控硬件通讯。事实上，量子处理器纯作业时刻约为 30 秒。这个最大电路的比特串样本在网络上存档。

人们或许想知道，算法立异可以将经典模仿进步多少。根据复杂性理论，研讨者做出假定，该算法使命的开支在 n 和 m 上都是指数级的。确实，曩昔数年，模仿算法一向在稳步改善。研讨者希望终究完结较本文中更低的模仿开支，但估计将一直会被更大量子处理器上的硬件进步所逾越。

未来会怎样样？

凡此种种，量子处理器终究完结了量子核算范畴的霸权。谷歌研讨者希望量子处理器的核算才能可以持续以双指数率添加：模仿量子电路的经典开支随核算体积的增大而添加，而且硬件的进步将有或许遵从量子处理器的摩尔定律，使得核算体积每几年就增大一倍。为了坚持双指数添加率并终究供给可以运转 Shor 或 Grover 等已知的量子算法所需的核算体积，量子差错校对工程将成为今后的重视要点。

由 Bernstein 和 Vazirani 拟定的「扩展邱奇-图灵论题（Extended Church-Turing Thesis）」宣称，图灵机器可以有用地模仿任何「合理的」核算模型。谷歌研讨者的试验标明，现在有一种核算模型或许违反了这种说法。他们现已运用物理完结的量子处理器（十分低的差错率）在多项式时刻进行随机的量子电路采样，但现在关于经典核算机而言不存在有用的办法。得益于这些发展，量子核算正从一个研讨课题过渡到一项可以开发新的核算才能的技能，而且离有价值的短期量子运用只短少有创造性的算法了。

尽管在完结量子霸权的道路上，谷歌或许现已完结了一个重要的里程碑，但咱们和量子核算的黄金时代还有一段间隔要走。

参阅内容：

https://drive.google.com/file/d/19lv8p1fB47z1pEZVlfDXhop082Lc-kdD/view

https:///question/346999432

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