1. 前序

从谷歌实现所谓的“量子霸权(Quantum supremacy)”开始,量子计算的狂热就扶摇直上。

无论知道量子计算本身的来龙去脉与否,量子计算机以万亿倍速度超越经典计算机这一感知,潜移默化给人们留下“量子计算机优势已成定局”的错觉。

连同部分媒体,努力助长着认知,使原本晦涩难懂的量子计算概念更为混淆,在传播过程中变得更加混乱。

加上第一个量子计算机公司IonQ上市的新闻不胫而走,更是暗示,量子计算将迎来狂热期。

不幸的是,像微软,谷歌这样的顶级科技公司,过去在量子计算领域大放光彩,但近期也因为技术原理失效,以及早期的成就被证明仅用更少的经典计算资源就可以短时间有效达成。对于量子计算的未来,还是需要在狂热中静下来分析。

实际上,这样的狂热还需从狂热的起源处开始扼住。

 

2. 谷歌的量子计算里程碑

2019年10月中旬,由John Martinis领导的谷歌研究团队首次展示了“量子霸权”,谷歌的量子计算机被证明有能力执行即使是最强大的传统超级计算机也无法完成的特殊任务。该声明最早出现在一篇刊登在美国宇航局(NASA)网站上的论文中,但随后该出版物被撤下。

直到2019年10月23日,谷歌声称在他们的量子芯片Sycamore上大约200秒时间运行的任务,当时地表最强的超级计算机Summit需10000年才能能完成对应的任务。该成果当时发表在了顶级刊物《自然》杂志上[1]。一时间,全球哗然,以此作为量子计算发展的开辟式里程碑。

这个里程碑重要程度如何?当时对外评价的答案是“非常”。

在当时麻省理工学院技术评论的 EmTech 会议上,在关于量子计算的讨论中,麻省理工学院教授、量子专家Will Oliver把这次计算的里程碑,比作莱特兄弟在基蒂霍克的首次航空飞行

微软量子论文撤稿,谷歌“量子霸权”受质疑,量子计算的狂热需一盆冷水清静-量子客
图1 | 谷歌“量子霸权”发文 (来源:Nature)

 

3. 量子霸权的质疑

当天,关于量子霸权的质疑声即刻爆发

2019年10月21日,《自然》杂志公开发文前,负责开发Summit的IBM公司表示[2],他们认为经典系统可以用2.5天以更高保真度,理想模拟同样的任务。

而且是一个最差且最为保守的估计,IBM甚至期望通过进一步的改进,降低模拟的经典成本,达到更快的速度,可能根本不需要2.5天。当然IBM并没有给出详细的解决方案,仅仅是说可能。

虽然这仍不能印证Summit计算机比Sycamore量子计算机更快,但在John Preskill对量子霸权的最初定义中,他的确说过量子计算机必须做一些经典计算机不可能做到的事情,才算达到这个里程碑而目前并没有达到该阈值。

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图2|“ Google Sycamore线路”经典计算运行时与线路深度的期望值分析(来源:IBM)

上图中,底线(蓝色)估计53量子比特处理器的经典运行时(电路深度20为2.5天) ,上线(橙色)估计54量子比特处理器的经典运行耗时。

Summit超级计算机,其峰值计算能力高达200 petaflops,比太湖之光的93 petaflops要高出两倍以上。

2020年5月14日,中国阿里巴巴量子计算团队在arxiv更新一篇论文《Classical Simulation of Quantum Supremacy Circuits》[3],否定了谷歌2019年10月Nature上发文声称的量子霸权优势(也称为量子优越性)需要10000年的计算时间。

阿里巴巴团队提出了一种张量网络的经典模拟方法,通过与Sumimit相较的集群方式,可将10000年的时间降低到20天之内。

2021年3月4日,两位中国科学家利用经典器件就实现了对谷歌量子优越性的超越[4]。中国科学院的张潘及潘峰使用60个英伟达GPU组成的小型计算集群,在5天的时间内完成了谷歌的量子霸权的结果。值得注意的是,这里仅用了轻量级的计算系统,并非超级计算机作为对比。

 

4. “量子霸权”取名的质疑

早在2012年,量子物理学家John Preskill写道[5],“We hope to hasten the day when well controlled quantum systems can perform tasks surpassing what can be done in the classical world.(我们希望加快实现这一进程,让实现良好控制的量子系统能够执行超越经典世界所能完成的任务)。

Preskill在描述当时看似遥远的这一目标时,在他的博客里取了一个响亮的名字: “Quantum Supremacy(量子霸权)”[6]。(注:这里,也有个别地方延续谷歌直译为“量子至上”,中文最初阅读,易产生歧义误解)。

而后《科学美国人》杂志抨击了这个命名,他们也不太喜欢“Quantum Supremacy”这样的取名。并提出想法,认为物理学界出于社会和科学的原因考虑,应该谨慎小心地使用语言表述,即使在物质和能量这些深奥远离大众的领域。

Supremacy,英文有“more power, authority or status than anyone else(直译为:比任何人都更多的权力、权威或地位)”的意思。在中文的所有公开发文里,Quantum Supremacy多数被译为“量子霸权”或“量子至上(究其原因,这是谷歌翻译并未得到中国的专家验证统一的结果)”。

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图3|谷歌“量子霸权”(来源:hearstapps)

Preskill教授总结了社区对这个词提出的两个主要反对意见,解释说:“这个词加剧了对量子科技进展已经被过分夸大的报道,”且”通过与白人至上主义的联系,唤起了令人反感的政治立场”。

因此,在更多的语境,人们用“量子优越性”来代替“量子霸权”

 

5. 谷歌量子霸权实验重做

风波不断,就在中国科学家预印版发布后,讨论持续了好几日。

著名的科学家Scott Aaronson就此提出了想法[7]:一方面是使用更复杂的问题来进行对比测试,其次是使用更多量子比特的量子计算机来重新做随机线路的实验,因为谷歌和IBM都有大量量子比特的量子计算系统(比如70Q以上)。

当然,这意味着,2019年的实验需要重新做,10000年的声明需要改写。

也就是说,60个英伟达GPU集群复制谷歌的量子超强实验需要5天的时间,如果切换为更为强大的超级计算机,采用中国科学家张量网络方法进行仿真,可能会把时间压缩得更短。

而且这种方法可以针对一般的问题,并表示这种方法在计算大量的相关位串振幅和概率时,比现有的方法要高效得多。

这让量子霸权过去相较于经典计算机10000年的巨大的时间差,回到了几日的量级差别。

与谷歌相比,这种使用GPU的方法,能够准确输出任何位串的振幅和概率,噪声更小,而且他们能够计算条件概率并进行相应的采样。

当然,回归问题,纯量子的方法仍然具有显著优势,因为它在200秒内就提供了答案,而不是5天,性能优势大于2000倍。更为重要的是,物理量子比特数量的发展才刚刚开始。

 

6. 微软量子的雄心壮志

2016年,微软公司聘请荷兰物理学家、微软员工Leo Kouwenhoven为马约拉纳粒子项目工作。

2018年3月,Kouwenhoven发表了引人注目的文章,新的成果提供了“证据”,证明他观察到了一种称为马约拉纳费米子(Majorana Fermion)的“天使”粒子。

时任微软量子计算项目负责人的Todd Holmdahl告诉《巴伦周刊》 ,他们将在2018年年底拥有一个拓扑量子比特(一个拓扑的物理比特几乎等于一个逻辑量子比特)。一个月后,这份备受争议的报纸仍旧公开出版。

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图4|微软量子计算项目负责人Todd Holmdahl(来源:微软)

微软为此,倾尽全力,独家开展,希望利用马约拉纳费米子来建造一台量子计算机。

2019年5月,微软公司量子计算业务发展总监Julie Love曾向外界透露提到,微软将在“五年内”拥有一台商用量子计算机听起来振奋人心。

在量子计算的各大方阵里,微软的拓扑量子计算一枝独秀。

 

7. 微软量子受挫撤稿

2021年03月8日,微软资助Kouwenhoven2018年发表在《自然》(Nature)上的“Quantized Majorana conductance”论文被撤稿。

Kouwenhoven在与合作者对数据进行重新分析并校准后,发现此前被观测到的马约拉纳费米子实际上并不存在,主动要求撤回论文。在撤稿通知中,研究团队就原始数据缺乏足够严谨性向同行致歉。

代尔夫特理工大学科学诚信委员会对这一问题进行调查,作为调查的一部分,委员会已要求独立的国际专家就该出版物提供客观的意见。

在专家报告的公开部分,专家们指出,手稿中提出结果的方式表明,作者选择了支持他们所寻找的现象的数据,而忽略了可能会对所提出的结论提出疑问的数据。

国际专家没有发现任何证据表明这可能是故意的。专家们认为最合理的解释是,作者被当时的热情所吸引,因此没有对不符合其目的的数据给予足够关注度

在实现“量子霸权(语境与量子优越性一致,下同)”的赛道上,微软将希望寄托在了马约拉纳费米子上。

2004年起,微软开始利用理论物理学方法,致力于构建出基于马约拉纳费米子的量子比特,以此作为量子计算硬件的核心,但一直没有取得成效

而2019年,谷歌推出了具有54个量子比特的量子计算机“悬铃木”(Sycamore),率先宣布实现“量子霸权”,但是不足2年的时间,10000年的时间被轻松60个GPU压缩至5天

 

8. 质疑声中的“九章”

全球知名实现“量子优越性”的机器当属中国的“九章”光量子计算机,但当公开该原型机时,引来无数争议。“九章”所完成的计算任务,也采用了200秒作为对标时间。(插入九章文章

说巧不巧,John Martinis带领谷歌实现了“量子霸权”,他对中国“量子霸权”提出了质疑。表示尽管中国的研究人员已经取得了一些成果,但对于其机器巨大复杂性的声称,目前还未得到证实,理论学家们会尽快将这一点弄明白。

其中关键点在于,是否可以对“九章”进行编程以执行其他任务。并表示,如果“九章”只能完成玻色采样,那么它就欠缺实用性。因此,尽管在科学上意义重大,但实际意义不明显。

谷歌的“量子霸权”可能面临重新做实验的可能,而该背景下,真正实现量子优越性的,似乎只有质疑声中的“九章”目前最为稳定。

 

9. 量子计算的未来

微软量子计算论文从《自然》撤稿,实现“量子优越性”的计划受挫,谷歌“量子霸权”的万年时长里程碑式的优势,一下降到几天,量子优势的那种200秒挑战万年的气势也大幅削减。

这势必给行业高度的热情和氛围降降温,保持理性的态度来观测行业动向。

目前,全球的研究格局依旧强劲,每个技术路线都有庞大的产学研参与。

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图5|量子计算路线与组织机构的关系 (来源:Michel Kurek, Joe荐)

目前看来,低温超导光量子以及离子阱技术,被寄予因为企业的参与度较高。在量子客采集的数据中,占比也较大。

但是,仍然没有任何证据证明,哪一技术路线才是通往通用量子计算机方向的最终选择路线。

目前,每个技术栈也没有在“量子优越性”问题上完美的做出量子计算机该有的验证比如对一些较为通用的问题做验证对比,过去美国的验证和中国的验证,都是基于对特殊问题的验证(随机线路玻色采样)。

另一角度看量子计算,无论是IonQ上市也好,还是Google发布未来技术路线图所呈现的可能性也罢,竞争热度只增不减。

把Google54量子比特做的随机线路问题,放在70量子比特上时,对经典计算机来说,难度指数上涨

重点是,70量子比特数量级的物理设备,在Google和IBM这样的企业已然不存在任何技术障碍。

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图6|谷歌量子计算路线图 (来源:Awaretum)

因此,在慢慢过度NISQ时代的后半叶,不应再讨论量子优越性问题。而应探讨,如何在NISQ时代,启用量子优越性。

 

 

参考链接:

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5

[2]https://www.ibm.com/blogs/research/2019/10/on-quantum-supremacy/

[3]https://arxiv.org/abs/2005.06787

[4]https://arxiv.org/abs/2103.03074

[5]https://arxiv.org/pdf/1203.5813.pdf

[6]https://www.quantamagazine.org/john-preskill-explains-quantum-supremacy-20191002/

[7]https://www.scottaaronson.com/blog/?p=5371

[8]https://www.qtumist.com/post/13933

[9]https://www.qtumist.com/post/10963

[10]https://www.qtumist.com/post/9761

 

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|编  辑:王嘉雯      |审  校:丁 艳