谷歌的量子霸权对于量子计算意味着什么？

Jeremy Hsu 战略前沿技术

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来源：半导体行业观察

翻译自：IEEE Spectrum

作者：Jeremy Hsu

谷歌声称已经证实了量子霸权（在通往实用量子计算的漫长道路上最早也是最受期待的里程碑之一），这本应在一份著名的科学杂志上正式亮相。然而，这篇研究论文的早期泄露引起了媒体的疯狂报道，并引发了一些关于量子计算机何时能够破解全球计算机安全算法的错误猜测。

在未来，量子计算可能严重威胁数字通信安全，这个时刻可能是几年，甚至是数十年。但是，泄露的谷歌论文草稿则很可能代表了长期存在的理论前提的第一个实验证明。专家说，量子计算机在某些任务上甚至可以胜过最强大的现代超级计算机。这样一个量子霸权的展示是一个期待已久的路标，它向研究人员表明，他们正走在可以将量子计算实现实用化的正确道路上。

"对于我们这些从事量子计算的人来说，量子霸权的实现是一个巨大的、非常受欢迎的里程碑，"德克萨斯大学奥斯汀分校（University of Texas at Austin）量子信息中心（Quantum Information Center）主任、计算机科学家斯科特·亚伦森（Scott Aaronson）说，他没有参与谷歌的研究。"这并不令人意外——这是我们所有人都预料到的，最多几年后就会到来。

什么是量子计算？

量子计算利用量子物理学的规则来控制宇宙中一些最小的粒子，从而制造出与当今智能手机和笔记本电脑中使用的“经典”计算机芯片完全不同的设备。不同于经典计算的二进制信息位，只能存在于两个基本状态之一，量子计算机依赖于量子比特，量子比特可以以许多不同可能状态而存在。以一枚硬币作比喻，经典计算只能存在于“正面”和“反面”，而量子计算则不仅于此。

由于每个量子位可以容纳许多不同的信息状态，通过量子纠缠连接起来的多个量子位有望在现代超级计算机上快速执行复杂的计算操作，这可能需要数千年或数百万年的时间。为了建造这样的量子计算机，一些研究实验室一直在使用激光和电场来捕获和操纵原子作为单个量子位。

其他小组，例如由加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校的约翰·马丁尼斯（John Martinis）领导的谷歌 AI量子实验室，也在试验由超导金属环制成的量子比特。这种方法使谷歌和它的研究合作者能够展示基于54量子位阵列的量子霸权。矩形排列——其中有一个量子比特被证明是有缺陷的，这使得工作量子比特的数量减少到53个。（谷歌没有回应评论请求。）

"在过去的一两年里，我们有一个非常好的想法，那就是成立一个谷歌团队，因为他们在所有的工作中都明确地瞄准了这一目标，"Aaronson说。"他们也在打造硬件的前沿。

谷歌的量子霸权实验

谷歌的实验测试了该公司名为Sycamore的量子计算设备是否能够从随机量子电路中正确地产生样本——这相当于验证随机数字发生器的量子版本的结果。在这种情况下，量子电路由一个特定的单量子位和双量子位逻辑操作随机序列组成，多达20个这样的运算（被称为"门"）随机串在一起。

Sycamore量子计算设备在短短的3分20秒内对随机量子电路进行了100万次采样。当研究小组在经典计算机上模拟同样的量子电路时，他们发现即使是目前世界上最强大的Summit超级计算机也需要大约1万年才能执行同样的任务。

“经典计算机界有很多人不懂量子理论，他们声称量子计算机并不比经典计算机更强大”，理论物理学教授、巴吞鲁日路易斯安那州立大学量子科学与技术小组成员乔纳森·道林（Jonathan Dowling）说，“这个实验另他们大跌眼镜。

“这不是珠穆朗玛峰的顶峰，但它确实在穿越一座很大的山峰。”——南加利福尼亚大学的Daniel Lidar。

这可能是连谷歌都没有预料到的转折。一篇描述该公司量子霸权实验的论文草稿很早就泄露了，可能是NASA Ames研究中心的研究合作者将论文上传到了NASA技术报告服务器时就泄露了。如果不是因为谷歌自己的搜索引擎算法，它可能会在被匆忙删除之前坐在那里而不被注意。但谷歌自己的搜索引擎算法找到了该论文，并通过电子邮件发送给了道林和其他签署了与量子计算有关的Google学术的人员。

随机数发生器实验可能看起来像是量子霸权的任意基准，并没有太多的实际应用。但是，Aaronson最近提出，这种随机量子电路可以成为经过认证的随机性协议的基础，该协议对于某些加密货币和加密协议可能非常有用。除了这个非常具体的应用，他还建议未来的量子计算实验可能旨在对复杂系统（如在凝聚态物理中发现的系统）进行有用的量子仿真。

量子计算的下一步是什么？

谷歌取得的明显成就并不排除另一个研究小组开发出更好的经典计算算法的可能性，该算法比谷歌当前的量子计算设备更快地解决了随机数生成器的挑战。但是即使发生了这种情况，但随着时间的流逝，量子计算功能也有望大大超过经典计算有限的增长。

"经典计算和量子计算之间的这场竞赛还将继续，"洛杉矶南加州大学量子信息科学与技术中心主任丹尼尔·里达尔说。"不过，就我们所知，由于量子计算机具有足够高保真度分量的量子计算机的扩展性更好——对某些问题来说会以指数级增长——最终，经典计算机将无法跟上这场竞赛。

谷歌的团队甚至创造了一个术语来描述量子计算在经典计算上的速度:Neven’s Law。与摩尔定律预测的经典计算能力每两年大约翻一番（指数增长）不同，Neven’s Law描述的是量子计算通过双指数增长获得更快的速度。

新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）研究量子计算机的理论物理学家安德鲁·索恩博格（Andrew Sornborger）说:"如果你曾经在图上画过一个双指数，看起来线是零，然后你碰到了一个盒子的一角，然后你就一直往上走。与其说是演变，不如说是事件——在你碰到一角之前和之后。

从长远来看，量子计算的指数增长优势有可能改变科学研究的某些领域和现实世界的应用。例如，Sornborger预计，未来的量子计算机能够执行远比目前最好的超级计算机复杂得多的模拟。

大家想要的：量子纠错

另一个长期的期望是，通用量子计算机可能有一天会破解用于保护计算机安全和互联网的标准数字代码。当谷歌的量子霸权实验首次通过英国《金融时报》（Financial Times）被报道出来时，这种可能性引发了阴谋论者和至少一名美国人的过早警报。（越来越多的在线猜测最终促使新加坡国立大学的博士候选人黄俊业在他的谷歌云端硬盘帐户上共享了一份泄露的谷歌论文的副本。）

事实上，美国政府已经在采取措施，为未来量子计算突破现代密码学标准的可能性做准备。美国国家标准与技术研究所（U.S.National Institute of Standards and Technology）一直在监督一个进程，要求密码学研究人员开发和测试抗量子的算法，这些算法可以继续保持全球通信安全。

量子计算可能严重威胁数字通信安全的时刻，即使不是未来的几十年，也是未来的很多年。

量子霸权成就只是开发实用量子计算机所需的许多步骤中的第一步。量子比特在执行计算操作时，需要在更长的时间内保持特定的量子态，这对于易碎的量子比特来说是一个挑战。这意味着要拼凑出涉及数千甚至数百万个量子比特的大型阵列绝非易事，而这可能对于实用、通用的量子计算来说是必需的。

如此庞大的量子比特阵列需要纠错技术，这种技术可以检测并修复许多单独工作的量子比特中的错误。一台实用的量子计算机需要进行全面纠错，并证明自己具有容错能力——不受逻辑运算和量子比特测量错误的影响——这样才能真正释放量子计算的力量，LiDAR表示。

许多专家认为，下一个重要的量子计算里程碑将是在实现量子霸权的量子计算设备中成功进行纠错的示范。鉴于最新实验中展示的量子计算架构旨在适应“表面代码”错误校正，Google的团队有能力实现这一目标。随着许多研究人员的涌现，几乎可以肯定会有很多公司在前进超越量子霸权的里程碑。

"你一步一步地向着珠穆朗玛峰的顶峰前进，"Lidar说，"这不是珠穆朗玛峰的顶峰，但它肯定是在穿越一座很大的山峰。"

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