谷歌的科學家表示，他們已經實現了量子霸權，這是量子計算領域期待已久的里程碑。該公告於 10 月 23 日發表在《自然》雜誌上，此前，該論文的早期版本在五週前洩露，谷歌當時對此未作評論。
由加州大學聖巴巴拉分校的實驗物理學家約翰·馬蒂尼斯和位於加利福尼亞州山景城的谷歌領導的團隊表示，在世界範圍內，他們的量子計算機完成了一項特定計算，這項計算超出了常規“經典”機器的實際能力。谷歌估計，即使是最好的經典超級計算機也需要 10,000 年才能完成同樣的計算。
馬蒂尼斯說，長期以來，量子霸權一直被視為一個里程碑，因為它證明量子計算機可以勝過經典計算機。儘管現在只在一個非常具體的案例中證明了這種優勢，但它向物理學家表明，當量子力學應用於複雜問題時，其工作原理符合預期。
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澳大利亞悉尼新南威爾士大學的量子物理學家米歇爾·西蒙斯說：“谷歌似乎為我們提供了第一個實驗證據，證明在現實世界的系統中可以實現量子加速。”
馬蒂尼斯將這項實驗比作“Hello World”程式，該程式透過指示新系統顯示該短語來測試新系統；他說，它本身並沒有特別的用途，但它告訴谷歌，量子硬體和軟體工作正常。
這一壯舉最早於 9 月由《金融時報》和其他媒體報道，此前，該論文的早期版本在美國國家航空航天局（NASA）的網站上洩露，NASA 與谷歌在量子計算方面有合作，但很快就被撤下。當時，該公司既沒有證實它撰寫了這篇論文，也沒有對這些報道發表評論。
儘管谷歌選擇的計算——檢查量子隨機數發生器的輸出——實際應用有限，“但科學成就意義重大，假設它成立，我猜它會成立”，得克薩斯大學奧斯汀分校的理論計算機科學家斯科特·阿倫森說。
谷歌以外的研究人員已經在嘗試改進用於解決這個問題的經典演算法，希望能縮短該公司 10,000 年的估計時間。谷歌在構建世界上最好的量子計算機方面的競爭對手 IBM 在 10 月 21 日釋出的一份預印本中報告稱，使用不同的經典技術，這個問題可以在短短 2.5 天內解決。該論文尚未經過同行評審。如果 IBM 是正確的，那麼谷歌的壯舉將降級為證明量子“優勢”——即進行一項比經典計算機快得多的計算，但並非經典計算機無法企及的計算。西蒙斯說，這仍然是一個重要的里程碑。“據我所知，這是第一次證明這一點，所以這絕對是一個重要的成果。”
快速解決方案
量子計算機的工作方式與經典機器從根本上不同：經典位元要麼是 1，要麼是 0，但量子位元（qubit）可以同時存在於多種狀態。當量子位元不可分割地連線在一起時，理論上，物理學家可以利用它們波狀量子態之間的干涉來執行可能需要數百萬年才能完成的計算。
物理學家認為，量子計算機有一天可能會執行革命性的演算法，例如，這些演算法可以搜尋笨拙的資料庫或分解大數——包括，重要的是，加密中使用的那些數字。但這些應用離我們還有幾十年的時間。連結的量子位元越多，在裝置執行時保持其脆弱狀態就越困難。谷歌的演算法執行在一個由 54 個量子位元組成的量子晶片上，每個量子位元都由超導環製成。但這只是通用機器可能需要的一百萬個量子位元中的一小部分。
馬里蘭大學帕克分校的物理學家克里斯托弗·門羅說，谷歌為其量子計算機設定的任務“有點奇怪”。谷歌的物理學家在 2016 年首次設計了這個問題，它的目的是讓普通計算機極難解決。該團隊挑戰其名為 Sycamore 的計算機，描述量子版隨機數發生器不同結果的可能性。他們透過執行一個電路來實現這一點，該電路使 53 個量子位元透過一系列隨機操作。這會生成一個 53 位長的 1 和 0 字串——總共有 253 種可能的組合（只使用了 53 個量子位元，因為 Sycamore 的 54 個量子位元中有一個壞了）。這個過程非常複雜，以至於無法從第一原理計算出結果，因此實際上是隨機的。但由於量子位元之間的干涉，某些數字字串比其他字串更可能出現。這類似於擲一個灌鉛骰子——它仍然產生一個隨機數，即使某些結果比其他結果更可能出現。
Sycamore 透過對電路進行取樣來計算機率分佈——執行一百萬次並測量觀察到的輸出字串。該方法類似於擲骰子以揭示其偏差。門羅說，從某種意義上說，這臺機器正在做科學家每天都在做的事情：使用實驗來找到一個經典方法無法計算的量子問題的答案。他說，關鍵的區別在於，谷歌的計算機不是單用途的，而是可程式設計的，可以應用於具有任何設定的量子電路。
驗證解決方案是另一個挑戰。為了做到這一點，該團隊將結果與經典計算機（包括田納西州橡樹嶺國家實驗室的 Summit 超級計算機）對更小更簡單的電路版本的模擬結果進行了比較。透過對這些示例進行外推，谷歌團隊估計，即使在擁有 100 萬個處理單元的計算機（相當於大約 10 萬臺臺式計算機）上模擬完整電路也需要 10,000 年。Sycamore 只用了 3 分 20 秒。
谷歌認為他們量子霸權的證據是確鑿的。谷歌量子計算團隊負責人哈特穆特·內文說，即使外部研究人員縮短了進行經典模擬所需的時間，量子硬體也在不斷改進——這意味著對於這個問題，傳統計算機不太可能趕上。
應用有限
門羅說，谷歌的成就可能會透過吸引更多的計算機科學家和工程師進入該領域來使量子計算受益。但他也警告說，這條新聞可能會給人一種印象，即量子計算機比實際情況更接近主流實際應用。“街頭巷尾的說法是‘他們終於擊敗了普通計算機：所以我們來了，兩年後我們將在家裡擁有一臺’”，他說。
門羅補充說，實際上，科學家們尚未證明可程式設計量子計算機可以解決以任何其他方式都無法完成的有用任務，例如計算特定分子的電子結構——這是一個需要模擬多個量子相互作用的棘手問題。阿倫森說，另一個重要的步驟是在使用稱為糾錯的過程的演算法中證明量子霸權——糾錯是一種糾正噪聲引起的錯誤的方法，否則這些錯誤會破壞計算。物理學家認為，這對於使量子計算機大規模執行至關重要。
馬蒂尼斯說，谷歌正在朝著這兩個里程碑努力，並將會在未來幾個月內公佈其實驗結果。
阿倫森說，谷歌為證明量子霸權而設計的實驗可能具有實際應用：他建立了一種協議，可以使用這種計算來向用戶證明量子隨機數發生器生成的位元確實是隨機的。例如，這在密碼學和某些加密貨幣中可能很有用，它們的安全性依賴於隨機金鑰。
馬蒂尼斯說，谷歌工程師不得不對其硬體進行一系列改進才能執行該演算法，包括構建新的電子裝置來控制量子電路，以及設計一種連線量子位元的新方法。“這真的是我們未來如何擴充套件的基礎。我們認為這種基本架構是前進的方向，”他說。
本文經許可轉載，並於2019 年 10 月 23 日首次發表。