谷歌的科学家表示，他们已经实现了量子霸权，这是量子计算领域期待已久的里程碑。该公告于 10 月 23 日发表在《自然》杂志上，此前，该论文的早期版本在五周前泄露，谷歌当时对此未作评论。
由加州大学圣巴巴拉分校的实验物理学家约翰·马蒂尼斯和位于加利福尼亚州山景城的谷歌领导的团队表示，在世界范围内，他们的量子计算机完成了一项特定计算，这项计算超出了常规“经典”机器的实际能力。谷歌估计，即使是最好的经典超级计算机也需要 10,000 年才能完成同样的计算。
马蒂尼斯说，长期以来，量子霸权一直被视为一个里程碑，因为它证明量子计算机可以胜过经典计算机。尽管现在只在一个非常具体的案例中证明了这种优势，但它向物理学家表明，当量子力学应用于复杂问题时，其工作原理符合预期。
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澳大利亚悉尼新南威尔士大学的量子物理学家米歇尔·西蒙斯说：“谷歌似乎为我们提供了第一个实验证据，证明在现实世界的系统中可以实现量子加速。”
马蒂尼斯将这项实验比作“Hello World”程序，该程序通过指示新系统显示该短语来测试新系统；他说，它本身并没有特别的用途，但它告诉谷歌，量子硬件和软件工作正常。
这一壮举最早于 9 月由《金融时报》和其他媒体报道，此前，该论文的早期版本在美国国家航空航天局（NASA）的网站上泄露，NASA 与谷歌在量子计算方面有合作，但很快就被撤下。当时，该公司既没有证实它撰写了这篇论文，也没有对这些报道发表评论。
尽管谷歌选择的计算——检查量子随机数发生器的输出——实际应用有限，“但科学成就意义重大，假设它成立，我猜它会成立”，得克萨斯大学奥斯汀分校的理论计算机科学家斯科特·阿伦森说。
谷歌以外的研究人员已经在尝试改进用于解决这个问题的经典算法，希望能缩短该公司 10,000 年的估计时间。谷歌在构建世界上最好的量子计算机方面的竞争对手 IBM 在 10 月 21 日发布的一份预印本中报告称，使用不同的经典技术，这个问题可以在短短 2.5 天内解决。该论文尚未经过同行评审。如果 IBM 是正确的，那么谷歌的壮举将降级为证明量子“优势”——即进行一项比经典计算机快得多的计算，但并非经典计算机无法企及的计算。西蒙斯说，这仍然是一个重要的里程碑。“据我所知，这是第一次证明这一点，所以这绝对是一个重要的成果。”
快速解决方案
量子计算机的工作方式与经典机器从根本上不同：经典比特要么是 1，要么是 0，但量子比特（qubit）可以同时存在于多种状态。当量子比特不可分割地连接在一起时，理论上，物理学家可以利用它们波状量子态之间的干涉来执行可能需要数百万年才能完成的计算。
物理学家认为，量子计算机有一天可能会运行革命性的算法，例如，这些算法可以搜索笨拙的数据库或分解大数——包括，重要的是，加密中使用的那些数字。但这些应用离我们还有几十年的时间。链接的量子比特越多，在设备运行时保持其脆弱状态就越困难。谷歌的算法运行在一个由 54 个量子比特组成的量子芯片上，每个量子比特都由超导环制成。但这只是通用机器可能需要的一百万个量子比特中的一小部分。
马里兰大学帕克分校的物理学家克里斯托弗·门罗说，谷歌为其量子计算机设定的任务“有点奇怪”。谷歌的物理学家在 2016 年首次设计了这个问题，它的目的是让普通计算机极难解决。该团队挑战其名为 Sycamore 的计算机，描述量子版随机数发生器不同结果的可能性。他们通过运行一个电路来实现这一点，该电路使 53 个量子比特通过一系列随机操作。这会生成一个 53 位长的 1 和 0 字符串——总共有 253 种可能的组合（只使用了 53 个量子比特，因为 Sycamore 的 54 个量子比特中有一个坏了）。这个过程非常复杂，以至于无法从第一原理计算出结果，因此实际上是随机的。但由于量子比特之间的干涉，某些数字字符串比其他字符串更可能出现。这类似于掷一个灌铅骰子——它仍然产生一个随机数，即使某些结果比其他结果更可能出现。
Sycamore 通过对电路进行采样来计算概率分布——运行一百万次并测量观察到的输出字符串。该方法类似于掷骰子以揭示其偏差。门罗说，从某种意义上说，这台机器正在做科学家每天都在做的事情：使用实验来找到一个经典方法无法计算的量子问题的答案。他说，关键的区别在于，谷歌的计算机不是单用途的，而是可编程的，可以应用于具有任何设置的量子电路。
验证解决方案是另一个挑战。为了做到这一点，该团队将结果与经典计算机（包括田纳西州橡树岭国家实验室的 Summit 超级计算机）对更小更简单的电路版本的模拟结果进行了比较。通过对这些示例进行外推，谷歌团队估计，即使在拥有 100 万个处理单元的计算机（相当于大约 10 万台台式计算机）上模拟完整电路也需要 10,000 年。Sycamore 只用了 3 分 20 秒。
谷歌认为他们量子霸权的证据是确凿的。谷歌量子计算团队负责人哈特穆特·内文说，即使外部研究人员缩短了进行经典模拟所需的时间，量子硬件也在不断改进——这意味着对于这个问题，传统计算机不太可能赶上。
应用有限
门罗说，谷歌的成就可能会通过吸引更多的计算机科学家和工程师进入该领域来使量子计算受益。但他也警告说，这条新闻可能会给人一种印象，即量子计算机比实际情况更接近主流实际应用。“街头巷尾的说法是‘他们终于击败了普通计算机：所以我们来了，两年后我们将在家里拥有一台’”，他说。
门罗补充说，实际上，科学家们尚未证明可编程量子计算机可以解决以任何其他方式都无法完成的有用任务，例如计算特定分子的电子结构——这是一个需要模拟多个量子相互作用的棘手问题。阿伦森说，另一个重要的步骤是在使用称为纠错的过程的算法中证明量子霸权——纠错是一种纠正噪声引起的错误的方法，否则这些错误会破坏计算。物理学家认为，这对于使量子计算机大规模运行至关重要。
马蒂尼斯说，谷歌正在朝着这两个里程碑努力，并将会在未来几个月内公布其实验结果。
阿伦森说，谷歌为证明量子霸权而设计的实验可能具有实际应用：他创建了一种协议，可以使用这种计算来向用户证明量子随机数发生器生成的比特确实是随机的。例如，这在密码学和某些加密货币中可能很有用，它们的安全性依赖于随机密钥。
马蒂尼斯说，谷歌工程师不得不对其硬件进行一系列改进才能运行该算法，包括构建新的电子设备来控制量子电路，以及设计一种连接量子比特的新方法。“这真的是我们未来如何扩展的基础。我们认为这种基本架构是前进的方向，”他说。
本文经许可转载，并于2019 年 10 月 23 日首次发表。