谷歌宣稱首次實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性，IBM“不服”，中國(guó)同行咋看？
2019年8月23日，谷歌在持續(xù)重金投入量子計(jì)算13年后，成功摘取量子計(jì)算領(lǐng)域的一個(gè)重要里程碑：實(shí)驗(yàn)證明“量子優(yōu)越性”，在特定任務(wù)上，量子計(jì)算機(jī)可以大大超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力了。雖然，費(fèi)曼在38年前就提出了量子并行計(jì)算的概念，但是，這個(gè)第一次真正確信無(wú)疑地演示這種超級(jí)計(jì)算能力，花費(fèi)了全世界科學(xué)家們幾十年的努力。有國(guó)際專家把這個(gè)成果比喻為萊特兄弟的首飛，雖然當(dāng)時(shí)的飛行器非常簡(jiǎn)陋，飛行只持續(xù)了12秒，完全沒(méi)有實(shí)用價(jià)值，但是這預(yù)示了一個(gè)新技術(shù)時(shí)代即將到來(lái)的曙光。
應(yīng)該指出的是，谷歌的階段性實(shí)驗(yàn)絕不是終點(diǎn)，而是一個(gè)起點(diǎn)。今年9月份在合肥舉辦的新興量子技術(shù)國(guó)際大會(huì)的白皮書指出，量子計(jì)算研究可以沿如下路線開展：“第一個(gè)階段是實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性，即針對(duì)特定問(wèn)題的計(jì)算能力超越經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)，這一階段性目標(biāo)將在近期實(shí)現(xiàn)；第二個(gè)階段是實(shí)現(xiàn)具有應(yīng)用價(jià)值的專用量子模擬系統(tǒng)；第三個(gè)階段是實(shí)現(xiàn)可編程的通用量子計(jì)算機(jī)，還需要全世界學(xué)術(shù)界的長(zhǎng)期艱苦努力?！?/span>
——潘建偉（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授，“賽先生”總編輯）
谷歌量子計(jì)算機(jī)Sycamore的量子比特線路，采用超導(dǎo)材料搭建，置于極低溫環(huán)境中。（圖源：Google）
撰文 | 黃合良
什么是“量子優(yōu)越性”？
近年來(lái)，由于超導(dǎo)量子計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展，量子計(jì)算逐漸發(fā)展到50個(gè)左右量子比特規(guī)模。盡管如此，考慮到量子糾錯(cuò)需要耗費(fèi)的資源，真正具備實(shí)用化的通用量子計(jì)算機(jī)至少需要10萬(wàn)-100萬(wàn)量級(jí)的量子物理比特。因此，量子計(jì)算機(jī)的研制是一個(gè)極具挑戰(zhàn)并且周期可能較長(zhǎng)的工作。
圖1. 隨機(jī)量子線路采樣示意圖
圖2. 20光子玻色采樣示意圖
谷歌量子AI團(tuán)隊(duì)的突破
此次，谷歌量子AI團(tuán)隊(duì)制備了一塊包含54個(gè)量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算芯片，并將其命名為Sycamore。不幸的是，其中一個(gè)量子比特壞掉了，所以可用的量子比特只有53個(gè)。不過(guò)因?yàn)閴牡舻牧孔颖忍卦谛酒倪吘?，基本上不?huì)影響最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
圖3. Sycamore芯片的結(jié)構(gòu)和實(shí)物圖
“量子優(yōu)越性”工作的爭(zhēng)議
實(shí)際上，“量子優(yōu)越性”代表了兩個(gè)方面的競(jìng)爭(zhēng)，一方面量子芯片的比特?cái)?shù)和性能不斷擴(kuò)張，在某些問(wèn)題上展現(xiàn)出極強(qiáng)的計(jì)算能力；另一方面，經(jīng)典算法和模擬的工程化實(shí)現(xiàn)也可以不斷優(yōu)化，提升經(jīng)典算法的效率和計(jì)算能力。所以，如果能夠提升經(jīng)典模擬的能力，那么谷歌的量子設(shè)備有可能就無(wú)法打敗最強(qiáng)超算，從而“稱霸”失敗。實(shí)際上這是極有可能的，因?yàn)楣雀枰矡o(wú)法保證他們?cè)谧鼋?jīng)典模擬時(shí)已經(jīng)達(dá)到了最優(yōu)，包括他們所使用的薛定諤-費(fèi)曼算法，以及對(duì)超算工程化實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化。
量子計(jì)算的下步路在何方？
縱觀量子計(jì)算的發(fā)展，我們可以明顯感受到量子計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步是顯著的。尤其是近幾年，這個(gè)方向進(jìn)入了一個(gè)技術(shù)爆發(fā)區(qū)。各個(gè)量子計(jì)算物理體系都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，以超導(dǎo)為代表的量子計(jì)算體系已經(jīng)突破到50比特左右的規(guī)模，離子、原子體系也突破了20個(gè)比特的規(guī)模[8]，光子體系在2018年已實(shí)現(xiàn)了18比特糾纏[9]。
國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)展和布局
我國(guó)在超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域起步較晚，相比于谷歌這個(gè)領(lǐng)頭羊，我們國(guó)內(nèi)的相關(guān)科研團(tuán)隊(duì)仍處于追趕地位?？上驳氖?，近年來(lái)，以中科大、浙大、中科院物理所等為代表的多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)，已經(jīng)突破了20個(gè)量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算技術(shù)[10-13]。目前，他們正在攻關(guān)50比特量子計(jì)算技術(shù)，并有望在明年底實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”。因此，我國(guó)在超導(dǎo)領(lǐng)域雖與美國(guó)存在差距，但是不存在代差，如果能夠得到持續(xù)的投入和支持，未來(lái)可期。
參考資料
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