研究人员即将研制出一台量子计算机,它可以完成传统计算机无法完成的任务。这是里程碑的意义。

量子计算机永远不会完全取代“经典”计算机。它们不会运行网络浏览器,不会帮你报税,也不会播放Netflix的最新视频。

它们将要做的——至少是长期以来所希望的——将是提供一种从根本上不同的方式来执行某些计算。它们将能够解决一台经典计算机需要数十亿年才能解决的问题。它们可以模拟复杂的量子系统,如生物分子,或提供一种方法来计算非常大的数字,从而打破了长期存在的加密形式。

量子计算机从有趣的研究项目跨越到做经典计算机无法做的事情的门槛被称为“量子优越性(quantum supremacy)”。许多人认为谷歌的量子计算项目将在今年晚些时候实现这一目标。在此之前,我们为好奇量子计算的人编写了本指南。它提供了你需要了解的信息:量子优越性意味着什么,以及它是否真的会被实现。

什么是量子优越性,为什么它很重要?

为了实现量子优越性,量子计算机必须执行,出于所有实际目的,任何经典计算机无法执行的计算。

从某种意义上说,这个里程碑是人为的。这项将用于测试量子优越性的任务是人为设计的——与其说是一个有用的进步,不如说是一种室内把戏(稍后会详细介绍)。因此,并非所有认真努力都是为了建立一个专门针对量子优越性的量子计算机。“量子优越性,我们根本不使用[这个词]。”负责IBM量子计算战略的高管Robert Sutor说,“我们根本不在乎。”

但在其他方面,量子优越性将成为计算历史上的一个分水岭。在最基本的层面上,它可能导致量子计算机的出现,而量子计算机实际上对某些实际问题是有用的。

这种观点有历史依据。在20世纪90年代,第一个量子算法解决了没人真正关心的问题。但是设计它们的计算机科学家学到的东西可以应用于后续算法的开发(例如Shor的算法,用于分解大数),这些算法具有巨大的实际效果。

“我认为,如果社区没有首先在不担心使用价值的情况下研究‘量子计算机在原则上擅长什么? ’这个问题,这些算法就不会存在。”芝加哥大学的量子信息科学家Bill Fefferman说。

量子计算界希望这一过程现在能够重演。通过构建一台能够击败经典计算机的量子计算机——即使是在解决一个毫无用处的问题上——研究人员可以学习到一些东西,这些东西可以使他们能够在以后构建一个更广泛有用的量子计算机。

加州理工学院理论物理学家、谷歌研究所研究员Fernando Brandão说:“在实现量子优越性之前,量子计算机几乎没有机会做任何有趣的事情。量子优越性是必不可少的里程碑。”

此外,量子优越性将是理论计算机科学领域的一场地震。几十年来,这个领域一直在一个被称为“扩展的教会-图灵论”的假设下运作,该理论称,一台经典计算机可以高效地执行任何其他类型的计算机都可以高效执行的计算。量子优越性将是第一个违反该原则的实验,因此将引领计算机科学进入一个全新的世界。加州大学伯克利分校的量子信息科学家Adam Bouland说:“量子优越性将成为我们看待计算方式的根本性突破。”

如何证明量子优越性?

通过在量子计算机上解决经典计算机无法有效解决的问题。这个问题可以是你想要的任何问题,尽管人们普遍认为量子优越性的第一次演示将涉及一个称为“随机电路采样”的特殊问题。

随机抽样问题的一个简单示例是模拟公平骰子滚动的程序。当程序正确地从可能的结果中取样时,这样的程序就能正确运行,在重复运行程序时,骰子上的6个数字的每1个都有六分之一的机会产生。

这个量子至上的候选问题要求计算机从一个随机量子电路的可能输出中正确地采样,而不是使用一个骰子。这就像一系列可以在一组量子比特执行的操作。假设一个作用于50个量子比特的电路。当量子比特通过电路时,量量子位元的状态就会缠绕在一起,或纠缠在一起,这就是所谓的量子叠加。结果,在电路的末端,50个量子比特处于250个可能状态的叠加。如果你测量量子比特,250种可能性会坍缩成一个50比特的字符串。这就像掷骰子,除了不是6种可能性,而是你有250,或1千万亿种可能性,但并不是所有的可能性以同样的可能性发生。

量子计算机可以利用纯粹的量子特征,如叠加和纠缠,应该能够有效地从这个随机电路中产生一系列遵循正确的分布样本。然而,对于经典计算机,没有已知的快速算法来生成这些样本——因此,随着可能的样本范围的增加,经典计算机很快就会被任务所淹没。

什么是延搁(holdup)?

只要量子电路仍然很小,经典计算机就能跟上步伐。因此,为了通过随机电路采样问题来证明量子优越性,工程师需要能够构建至少具有一定最小尺寸的量子电路——而到目前为止,他们还无法做到这一点。

电路的大小是由量子比特数量决定的,以及操作这些量子比特的次数。量子计算机中的操作使用“门”来执行,就像经典计算机中的操作一样。不同类型的门以不同的方式变换量子比特——一些门翻转单个量子比特的值,而另一些门则以不同的方式组合两个量子比特。如果你运行量子比特通过10个门,你会说你的电路有“深度(depth)”10。

为了实现量子优越性,计算机科学家估计,一台量子计算机需要解决一个深度在10左右,约为70到100个量子比特的电路的随机电路采样问题。如果电路比这小得多,那么经典计算机可能仍然可以设法模拟它——经典模拟技术一直在改进。

然而,量子工程师现在面临的问题是,随着量子比特和门的数量的增加,错误率也随之增加。如果错误率太高,量子计算机就会失去优于传统计算机的优势。

量子电路中存在许多错误源。最关键的一个是每次电路执行门操作时累积在计算中的误差。

目前,最好的双量子比特量子门的错误率约为0.5%,这意味着每200次操作中大约有一次误差。这比标准的经典电路的错误率要高得多,在标准的经典电路中,每1017次运算就只有一个错误。为了证明量子优越性,工程师不得不将双量子比特门的错误率降低到0.1%左右。

我们如何确定量子优越性已经被证明?

一些里程碑是明确的。量子优越性不是其中之一。德克萨斯大学奥斯汀分校的计算机科学家Scott Aaronson说:“这不像火箭发射或核爆炸那样,你只需观察就能立即知道它是否成功。”

要验证量子优越性,你必须证明两件事:量子计算机执行计算的速度很快,而经典计算机无法有效地执行相同的计算。

第二部分是最棘手的。经典计算机在解决某些问题方面往往比计算机科学家所预期的要好。除非你已经证明了经典计算机不可能有效地做一些事情,否则总有可能存在更好、更有效的经典算法。证明这样的算法不存在可能比大多数人相信量子优越性的主张所需要的更多,但这样的主张仍然需要一段时间才能被接受。

人们离实现量子优越性有多近?

从许多方面来看,谷歌正在敲开量子优越性的大门,并可能在今年年底前证明这一点。(当然,2017年也是如此说的。)但是其他一些团体也有可能很快实现量子优越性,包括IBM、IonQ、Rigetti和哈佛大学。

这些团队正在使用几种不同的方法来构建量子计算机。谷歌、IBM和Rigetti使用超导电路进行量子计算。IonQ使用被捕获的离子。由Mikhail Lukin领导的哈佛计划使用镭原子控制铷原子。微软的方法涉及“拓扑量子比特”,似乎更像是一种不太可能实现的尝试。

每种方法都有其优点和缺点。

超导量子电路的优点是由固态材料制成。它们可以使用现有的制造技术建造,并且可以执行非常快速的门操作。此外,量子比特不会四处移动,这可能是其他技术的一个问题。但它们也必须冷却到极低的温度,并且超导芯片中的每个量子比特都必须单独校准,这使得难以将这项技术扩展到数千个量子比特(或更多),而真正有用的量子计算机会需要数千个量子比特(或更多)。

离子阱具有一系列相反的优点和缺点。单个离子是相同的,这有助于制造,但离子阱在给你更多的时间执行计算之前,量子比特被来自环境的噪声所淹没了。但是用于操作离子的门非常慢(比超导门慢几千倍),当你不想要单个离子移动时,它们可以四处移动。

目前,超导量子电路似乎发展得最快。但是,所有不同的方法都面临着严重的工程障碍。在有可能构建出人们梦寐以求的那种量子计算机之前,将需要一项重大的新技术进步。“我听说量子计算可能需要一个类似于晶体管的发明——一种突破性的技术,几乎完美无缺,易于扩展。”Bouland说,“虽然最近的实验进展令人印象深刻,但我的倾向于认为,这种突破性的技术尚未被找到。”

如果说量子优越性已被证明。又该怎么办呢?

如果量子计算机在像随机电路采样这样的人为设计的任务上实现了优越性,那么显而易见的下一个问题就是:好吧,那么它什么时候会做一些有用的事情呢?

有用性的里程碑有时被称为量子优势(quantum advantage)。“量子优势是说:对于一个真实的用例,如金融服务、人工智能、化学,你什么时候能看到,以及你怎么才能看到,量子计算机正在做的事情明显好于任何已知的经典基准测试?”IBM的Sutor说道,他拥有许多企业客户,如摩根大通和梅赛德斯-奔驰,这些公司已经开始探索IBM量子芯片的应用。

第二个里程碑将是创建容错量子计算机。这些计算机能够实时校正计算中的错误,原则上允许无错误的量子计算。但是,创建容错量子计算机的主要提议,即所谓的“表面代码(surface code)”,需要为计算机实际执行计算所用的每一个“逻辑”量子比特花费数千个纠错量子比特。这使得容错远远超出了量子计算领域的当前技术水平。量子计算机在真正做任何有用的事情之前是否需要容错,这是一个悬而未决的问题。Brandão说:“有很多想法,但没有什么是确定的。”

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