文/黃珊

2019年見證了許多歷史性時(shí)刻，但這些歷史性時(shí)刻仍需經(jīng)受考驗(yàn)。例如谷歌宣布實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性（Quantum Supremacy）。

當(dāng)時(shí)，谷歌在其刊登于Nature的論文中表示，已經(jīng)開發(fā)出了一款名為Sycamore的54量子比特?cái)?shù)的量子芯片，可以在短短的200秒內(nèi)解決一個(gè)特定問題，而地球上頂尖的超級計(jì)算機(jī)將花費(fèi)1萬年才能完成相同的任務(wù)。

按照2012年加州理工學(xué)院量子理論物理學(xué)大牛John Preskill提出的 “量子優(yōu)越性” 的定義，量子計(jì)算設(shè)備可以超越經(jīng)典計(jì)算設(shè)備，解決后者無法解決的計(jì)算任務(wù)。這個(gè)概念曾在2018年10月被證明理論上行得通。谷歌的實(shí)驗(yàn)結(jié)果則顯示，量子計(jì)算機(jī)在解決隨機(jī)采樣任務(wù)上超越了經(jīng)典計(jì)算機(jī)，量子優(yōu)越性由此達(dá)成。

不過，阿里量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)近日在Arxiv上刊登的文章 “Classical Simulation of Quantum Supremacy Circuits” 卻顯示，谷歌用以證明量子優(yōu)越性的計(jì)算任務(wù)，經(jīng)典計(jì)算機(jī)所需的計(jì)算時(shí)間其實(shí)用不到1萬年。

圖丨此次論文（來源：Arxiv）

在這項(xiàng)新發(fā)布的文章中，阿里團(tuán)隊(duì)的思路也與IBM此前對于谷歌量子優(yōu)越性宣稱的諸多質(zhì)疑類似。

在量子計(jì)算領(lǐng)域，IBM 是可以與谷歌分庭抗禮的另一股力量。

IBM 研究人員提出的一個(gè)質(zhì)疑之處在于，在Nature論文中，谷歌量子處理器用200秒時(shí)間完成了世界上最好的超級計(jì)算機(jī)（恰好是 IBM 的 Summit，top500榜首）需要1萬年才能完成的計(jì)算，這并不合理，Summit 可以在2.5天內(nèi)完成計(jì)算。除此之外，谷歌離真正的量子計(jì)算機(jī)還有很長的路要走，因?yàn)樗鼒?zhí)行的計(jì)算任務(wù)沒有已知用途，不足以證明其通用性，而且如何實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的容錯(cuò)運(yùn)算依然是個(gè)巨大挑戰(zhàn)，谷歌在論文中也承認(rèn)了這一點(diǎn)。

換句話說，質(zhì)疑者認(rèn)為，谷歌聲稱的 “實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性” 的言論是具有誤導(dǎo)性的。

圖｜谷歌宣布實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性的論文（來源：谷歌）

而在阿里團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究中，研究人員則是通過一種優(yōu)化方法，經(jīng)典計(jì)算機(jī)在20天的時(shí)間內(nèi)就完成了計(jì)算。

從 IBM 、阿里的給出的數(shù)據(jù)來看，20天、2.5天的耗時(shí)和200秒自然仍有差別，但20天、2.5天和1萬年確實(shí)也不是一個(gè)級別的概念。

一直以來，量子計(jì)算都被寄予了 “在計(jì)算速度上比經(jīng)典計(jì)算要快指數(shù)級倍” 的厚望，而運(yùn)行隨機(jī)量子線路采樣（random quantum circuit sampling）是目前測試量子計(jì)算的性能的一個(gè)主流手段（其他手段包括光學(xué)玻色采樣問題、IQP 線路），盡管這種運(yùn)算可能并沒有任何實(shí)際用途。

隨機(jī)量子線路采樣，正是谷歌宣稱量子優(yōu)越性所解決的“特定問題”。

一般而言，經(jīng)典計(jì)算處理這類問題所需的時(shí)間會(huì)隨量子線路（一般由一個(gè)名為 cycle“周期”的量表示，周期越高，量子回路越復(fù)雜）的規(guī)模增大而呈指數(shù)級增長，而用這類問題探究量子計(jì)算是否真較經(jīng)典計(jì)算具有不可超越的 “量子” 的一個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，在于要設(shè)法使量子處理器的規(guī)模和結(jié)果都達(dá)到經(jīng)典計(jì)算不可能以類似的計(jì)算時(shí)間和精度輸出的水平。

圖 | 谷歌 Sycamore 量子芯片（來源：谷歌）

阿里量子團(tuán)隊(duì)共同開發(fā)出了一款基于張量網(wǎng)絡(luò)的模擬算法，并在阿里云上對該算法進(jìn)行了測試，與Sumimit相較的集群方式相比，顯示其能僅在20天內(nèi)就解決谷歌測試所用的、1萬年版本的隨機(jī)量子線路采樣問題（53量子比特，20個(gè)周期）。

而對于在此前谷歌研究所用的另一個(gè)測試運(yùn)算（53量子比特，14個(gè)周期），相比谷歌宣稱的“經(jīng)典計(jì)算需用約1.1年才能算完”，此次研究所提出的新算法僅用265秒就能完成計(jì)算，而谷歌的 Sycamore 則用了約兩倍長的這個(gè)時(shí)間才解決了這個(gè)問題。

研究人員也在論文中，將谷歌此前測試量子計(jì)算用的運(yùn)算問題稱為“意外地能容易的被拆分為并行運(yùn)算的問題”。

簡單來說，此次研究將量子隨機(jī)采樣問題看作是一個(gè)具有 “2D 平面上僅相鄰節(jié)點(diǎn)有互相約束” 的規(guī)律張量網(wǎng)絡(luò)，使影響經(jīng)典計(jì)算耗時(shí)的因素變?yōu)榱藦埩烤W(wǎng)絡(luò)的收縮途徑，而團(tuán)隊(duì)則將運(yùn)算拆分成無數(shù)個(gè)可獨(dú)立被并行運(yùn)算的 “次級運(yùn)算”，然后再針對對效率構(gòu)成影響的因素為算法進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了“量子處理器每增加一量子比特并不會(huì)使其效率相對經(jīng)典算法呈指數(shù)級增長” 的情況，并使經(jīng)典計(jì)算的性能達(dá)到了谷歌此前所給出的性能值的20萬倍。

此次研究所展示的成果，倒不像此前谷歌所宣稱的那般“經(jīng)典計(jì)算實(shí)力與量子計(jì)算相差甚遠(yuǎn)”。谷歌 CEO Sundar Pichai 曾強(qiáng)調(diào)那次的研究成果對谷歌來說具有里程碑式的意義，并將其與萊特兄弟發(fā)明飛機(jī)時(shí)的首次12秒成功試飛相比。

還有另外一個(gè)需要關(guān)注的能力——“抗噪”。這是驗(yàn)證量子計(jì)算是否較經(jīng)典計(jì)算具有量子優(yōu)越性的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一，即在一個(gè)非理想的，具有噪聲的系統(tǒng)中完成隨機(jī)抽樣運(yùn)算。不過由于技術(shù)問題，此次的研究僅測試了新算法在理想環(huán)境下的運(yùn)算能力，而未能對算法在噪聲環(huán)境下的表現(xiàn)進(jìn)行模擬。

圖 | 谷歌 CEO Sundar Pichai（來源：麻省理工科技評論）

整體來看，這樣的成果將為量子計(jì)算研究所需實(shí)現(xiàn)的計(jì)算效率拉高門檻。理論上而言，量子計(jì)算相較經(jīng)典計(jì)算能力更加不可估量，只是一個(gè)技術(shù)從概念到實(shí)現(xiàn)再到不斷成熟的過程中，其性能和表現(xiàn)之類的參數(shù)肯定是不斷提升的。未來研究人員宣稱在某個(gè)問題上實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性，恐怕還需要付出更多的心力。

事實(shí)上，量子計(jì)算和經(jīng)典計(jì)算之間已有多次喧囂，盡管量子計(jì)算作為前沿技術(shù) “捷報(bào)” 連連、頗受矚目，但越來越多跡象顯示，現(xiàn)階段，該領(lǐng)域每一次的進(jìn)步都未能完全實(shí)現(xiàn)對量子優(yōu)越性的證明，更不是對經(jīng)典計(jì)算的否定。

反而有一點(diǎn)愈發(fā)清晰：對比量子計(jì)算與經(jīng)典計(jì)算之間的不同，不少新的工作促進(jìn)了經(jīng)典計(jì)算的探索，以及對其進(jìn)一步的算法優(yōu)化，也為量子計(jì)算不斷提新的課題。

正如 IBM 研究部主管 Dario Gil 曾在采訪中對我們表示的：“量子計(jì)算機(jī)永遠(yuǎn)不會(huì)有遠(yuǎn)勝于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的絕對‘霸權(quán)’地位，兩者各有千秋，各司其職，對于許多問題，經(jīng)典計(jì)算機(jī)將仍然是使用的最佳工具。”

（來源：麻省理工科技評論）

注：此次論文作者多來自阿里量子實(shí)驗(yàn)室和阿里云智能，包括阿里量子實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人、前密歇根大學(xué)教授施堯耘博士。在量子計(jì)算研究上，阿里是不可忽視的新進(jìn)者，因?yàn)槠涫菫閿?shù)不多以硬件為核心進(jìn)行全棧量子計(jì)算研發(fā)的團(tuán)隊(duì)：2017年，阿里巴巴以實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的潛能為目標(biāo)組建量子實(shí)驗(yàn)室。2018年初，實(shí)驗(yàn)室研制的量子電路模擬器 “太章” 在全球率先成功模擬了81比特40層作為基準(zhǔn)的谷歌隨機(jī)量子電路。2019年，阿里達(dá)摩院院長張建鋒宣布量子實(shí)驗(yàn)室完成了第一個(gè)可控的量子比特的研發(fā)工作。

總結(jié)

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