Philip Ball說(shuō)，我們遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法斷定量子計(jì)算機(jī)是否能超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)。
量子霸權(quán)聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)可怕，仿佛像是《終結(jié)者》電影系列的結(jié)局或者是一場(chǎng)失敗的政治運(yùn)動(dòng)一樣。事實(shí)上，它意味著量子計(jì)算機(jī)超越所有經(jīng)典計(jì)算機(jī)的時(shí)代的到來(lái)。加州理工學(xué)院的量子理論學(xué)家John Preskill在2012年首次使用“量子霸權(quán)”這一說(shuō)法，之后它被越來(lái)越多的人接受，因?yàn)樗臅r(shí)代似乎近在眼前。根據(jù)許多量子計(jì)算的支持者，它甚至可能在年底之前到來(lái)。
但是量子霸權(quán)這一概念是否合理？仔細(xì)一想就會(huì)發(fā)現(xiàn)很多問(wèn)題。我們根據(jù)什么標(biāo)準(zhǔn)判斷一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)在性能上超越一臺(tái)經(jīng)典計(jì)算機(jī)？要解決什么問(wèn)題？如果沒(méi)有經(jīng)典計(jì)算機(jī)做參考，如何確認(rèn)量子計(jì)算機(jī)成功了？
對(duì)于量子霸權(quán)，評(píng)論家們預(yù)測(cè)它將主導(dǎo)信息技術(shù)領(lǐng)域，并對(duì)此興奮不已，而計(jì)算機(jī)科學(xué)家和工程師的反應(yīng)則淡定得多。他們未將其視為一種節(jié)點(diǎn)性的突破，而是一種象征性標(biāo)志：它是一件概念工具，借由它開(kāi)展一場(chǎng)有關(guān)這兩種計(jì)算方法差異的討論?；蛟S，它還是一條出色的宣傳口號(hào)。
量子計(jì)算機(jī)依據(jù)在最小尺度支配物質(zhì)行為的量子規(guī)律來(lái)操縱信息。在這個(gè)量子世界中，信息可被編碼為量子比特，它們由代表二進(jìn)制1和0的量子態(tài)對(duì)象構(gòu)成。在量子計(jì)算機(jī)中，量子比特保持量子相干疊加態(tài)，也即它們相互關(guān)聯(lián)，而非像在經(jīng)典計(jì)算機(jī)電路中的比特（晶體管）一樣相互獨(dú)立，因此就有可能比經(jīng)典計(jì)算機(jī)更高效、更快速地執(zhí)行某些計(jì)算，所需的（量子）比特也更少。
IBM和谷歌都已經(jīng)研發(fā)出量子計(jì)算原型設(shè)備。IBM向公眾開(kāi)放了一款接入云端的5量子比特計(jì)算機(jī)。2017年11月10日，IBM宣布為商業(yè)用戶提供一臺(tái)20量子比特計(jì)算機(jī)。IBM計(jì)算機(jī)科學(xué)家還在同一天報(bào)告他們成功測(cè)試了一個(gè)50量子比特的電路。谷歌同樣也在研發(fā)擁有49-50量子比特的設(shè)備，研究者希望通過(guò)這些設(shè)備在今年年底前證明量子霸權(quán)。
但是，誰(shuí)能確定量子計(jì)算機(jī)真的可以做到經(jīng)典計(jì)算機(jī)做不到的事呢？會(huì)不會(huì)只是人們還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)一種足以勝任的經(jīng)典算法？這就是為什么量子霸權(quán)在理論上是一個(gè)有意思的挑戰(zhàn)：是否真的存在一些問(wèn)題讓人們可以通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆绞阶C明量子計(jì)算能完成經(jīng)典計(jì)算無(wú)法完成的任務(wù)？
討論最多的是所謂的取樣問(wèn)題：將有效隨機(jī)比特轉(zhuǎn)化成來(lái)自預(yù)定義分布的比特。John Martinis領(lǐng)導(dǎo)的谷歌團(tuán)隊(duì)描述了一個(gè)在量子計(jì)算機(jī)上實(shí)行類似取樣方案的實(shí)驗(yàn)流程，并提出50量子比特計(jì)算機(jī)可以展現(xiàn)出量子霸權(quán)。
因?yàn)檫@篇論文，50量子比特為成為了一個(gè)標(biāo)志性數(shù)字。谷歌計(jì)劃利用僅僅 50 個(gè)量子比特實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)，而Edwin Pednault 與同事（IBM托馬斯·J·沃森研究中心）在他們之前發(fā)表的一篇預(yù)印本論文中表示，只要設(shè)計(jì)足夠精巧新穎，在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上也可以模擬某些49量子比特問(wèn)題，這被一些新聞報(bào)道解讀為對(duì)谷歌的挑戰(zhàn)。
但事實(shí)并非如此。現(xiàn)在量子計(jì)算專家不得不反復(fù)強(qiáng)調(diào)：量子比特的數(shù)量并非唯一的決定因素。衡量量子電路能力的一項(xiàng)重要標(biāo)準(zhǔn)其實(shí)是“深度”，即在量子比特相干性消失前，一個(gè)量子比特系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)多少個(gè)邏輯運(yùn)算（“門”），因?yàn)楫?dāng)量子比特退相干后計(jì)算錯(cuò)誤就會(huì)激增，導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行更進(jìn)一步的計(jì)算。同樣重要的還有量子比特彼此如何連接的問(wèn)題。因此，真正衡量量子電路能力時(shí)，需要考慮一系列不同因素，也就是IBM研究者所說(shuō)的“量子體積”（quantum volume）。
這意味著一項(xiàng)量子計(jì)算任務(wù)之于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的難度取決于算法深度，而不只是量子比特?cái)?shù)量。Martinis說(shuō)IBM的論文只討論了深度較淺的問(wèn)題，所以在49量子比特水平上仍舊存在經(jīng)典計(jì)算解決方案，也就不足為奇。他說(shuō)：“谷歌已充分意識(shí)到，淺層電路更容易進(jìn)行經(jīng)典計(jì)算。我們?cè)谠颊撐闹杏刑岬竭@個(gè)問(wèn)題。”
麻省理工的計(jì)算機(jī)科學(xué)家Scott Aaronson也認(rèn)為IBM的研究并沒(méi)有對(duì)實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)有明顯的推動(dòng)作用?！斑@是一篇出色的論文，它創(chuàng)下了對(duì)通用量子電路進(jìn)行經(jīng)典模擬的新記錄，”他寫(xiě)道，但是“它并沒(méi)有動(dòng)搖量子霸權(quán)實(shí)驗(yàn)的依據(jù)?！?/p>
他說(shuō)事實(shí)幾乎可以說(shuō)是相反的：論文表明“使用經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬49量子比特電路是可行的，這是谷歌計(jì)劃的量子霸權(quán)實(shí)驗(yàn)的先決條件，因?yàn)檫@是我們唯一所知的檢查實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方法?！边@篇IBM論文在本質(zhì)上展示了如何在大邊界上驗(yàn)證量子計(jì)算結(jié)果，這樣當(dāng)超越這一邊界時(shí)，計(jì)算機(jī)科學(xué)家和工程師就能對(duì)量子計(jì)算機(jī)保持大的信心。Aaronson說(shuō)這個(gè)目標(biāo)可以被比作“不斷向高山之巔攀登，卻又要保證山腳下的人能始終看到你?！?/p>
這些觀點(diǎn)似乎與IBM團(tuán)隊(duì)自己的看法一致。Pednault說(shuō)：“我認(rèn)為從我們建立的模擬方法中可以得出的一個(gè)結(jié)論是，量子霸權(quán)應(yīng)該被看作一個(gè)度的問(wèn)題，而不是一個(gè)絕對(duì)閾值。我和其他一些人都更喜歡用‘量子優(yōu)勢(shì)’這個(gè)詞。”
IBM的理論科學(xué)家Jay Gambetta表示同意，因?yàn)閺淖置嫔辖庾x量子霸權(quán)可能意義并不大。他說(shuō)：“我不認(rèn)為量子霸權(quán)代表了我們到達(dá)終點(diǎn)宣告勝利的一個(gè)里程碑。我將這些‘霸權(quán)’實(shí)驗(yàn)視作一系列旨在幫助我們研發(fā)量子設(shè)備的基準(zhǔn)測(cè)試實(shí)驗(yàn)?！?/p>
Pednault說(shuō)，無(wú)論如何，實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)“不應(yīng)該被誤解為量子計(jì)算將為經(jīng)濟(jì)和社會(huì)做出巨大貢獻(xiàn)的決定性時(shí)刻。我們?nèi)孕枰龃罅科D苦的科學(xué)工作?！?/p>
當(dāng)然，這還是屬于應(yīng)用科學(xué)范疇。量子霸權(quán)這一概念提出了一個(gè)值得深思的理論難題，但是并沒(méi)有揭示量子計(jì)算機(jī)最終能夠?yàn)樯鐣?huì)做些什么。
量子計(jì)算機(jī)最近是大新聞，幾乎每周我們都能聽(tīng)到關(guān)于其穩(wěn)定性和運(yùn)算能力的新進(jìn)展。但對(duì)許多人來(lái)說(shuō)，量子世界是神秘而令人迷惑的。在Nature Outline-量子計(jì)算中，我們用信息化圖示和視頻介紹經(jīng)典計(jì)算和量子計(jì)算之間的差異，并向讀者介紹量子計(jì)算領(lǐng)域的基本術(shù)語(yǔ)。
我們的電腦還能怎么更先進(jìn)？隨著越來(lái)越多的智能操作系統(tǒng)走下銀幕，走進(jìn)普通人的家中，看上去電腦可以解決任何問(wèn)題。但實(shí)際上，很多科技領(lǐng)域的進(jìn)步是有限的，因?yàn)槟壳暗碾娔X效率太低。即使是最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)，當(dāng)存在太多相互作用的元素時(shí)，也不能準(zhǔn)確地計(jì)算出新材料，化學(xué)結(jié)構(gòu)或生物系統(tǒng)的性質(zhì)。
我們需要一種新型的計(jì)算方式，把計(jì)算機(jī)試圖克服的這種復(fù)雜性給利用起來(lái)。量子計(jì)算機(jī)這個(gè)概念的第一次提出是20世紀(jì)80年代，當(dāng)時(shí)有人提出也許可以根據(jù)量子物理學(xué)而不是經(jīng)典物理學(xué)來(lái)構(gòu)建計(jì)算機(jī)。但是這種方法需要組裝和控制量子系統(tǒng)——這是一項(xiàng)非常困難的任務(wù)。通常，量子現(xiàn)象只出現(xiàn)在物質(zhì)基本組成部分的水平上，如原子和電子。
但是，一旦建立起了量子系統(tǒng)，它們將提供大量的可能性。描述區(qū)區(qū)幾百個(gè)粒子的一般量子態(tài)，所需變量的數(shù)量就超過(guò)了宇宙中的原子數(shù)。沒(méi)有任何經(jīng)典計(jì)算機(jī)能有內(nèi)存來(lái)存儲(chǔ)這么多的信息。但是，如果豐富的量子狀態(tài)被用于編碼信息，就能打開(kāi)計(jì)算的全新世界。模擬材料和分子的行為將變得容易，大型數(shù)據(jù)庫(kù)的快速搜索和全新的密碼學(xué)方法也不在話下。
過(guò)去二十年來(lái)，人們?cè)诜蛛x，操縱和測(cè)量可形成量子計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)的元素方面取得了穩(wěn)步的進(jìn)展，無(wú)論是單個(gè)量子實(shí)體，如原子，電子或光子，還是顯示量子力學(xué)行為的人造系統(tǒng)，如半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或微型電子電路。研究人員現(xiàn)在已經(jīng)有了量子計(jì)算機(jī)可以工作的原則證明，但是接下來(lái)要解決的前所未有的挑戰(zhàn)的規(guī)模之巨大也是很明顯的。
世界各地的物理學(xué)家，數(shù)學(xué)家，計(jì)算機(jī)科學(xué)家和工程師正在試圖解決這樣一個(gè)問(wèn)題——該如何構(gòu)建和操作一個(gè)足夠大的量子計(jì)算機(jī)，從而能夠在一些任務(wù)中打敗經(jīng)典計(jì)算機(jī)。商業(yè)公司也參其中。最終的量子計(jì)算機(jī)會(huì)是什么模樣，它將使用哪種量子系統(tǒng)，以及它究竟能解決哪些問(wèn)題依然懸而未決。所有這一切都在推動(dòng)各種激動(dòng)人心的研究。
重慶分公司
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