这场举世瞩目的「量子霸权」争夺赛遇到了理论

编译 | 张震、樊晓芳

来源 | Nature

作者 | Richard Haughton

「还真没法简单地说明白一台量子计算机是如何超越一台经典计算机的。」Philip Ball说道。

「量子霸权（Quantum Supremacy）」这个词听起来总感觉是在暗示人类某些将要发生的可怕的事件，就像《终结者》电影的结局，抑或一场失败的政治运动。

其实，它指代的仅是一个计算机发展的阶段，在这个阶段量子计算机在解决某些特定问题上的运算能力会远超目前所能见到的任何经典计算机。

「量子霸权」这个词是由加州理工学院量子理论学家 John Preskill [1] 在 2012 年创造的。由于量子计算机距离我们并不遥远，该词一经创造，就立刻获得了大家的认可和引用。依照大多数量子计算支持者们的观点，在今年年底就有可能见证量子计算的诞生。

但用「量子霸权」这个名词来指代这样的阶段真的有道理吗？

其实无需经过深度的思考我们就能发现很多问题。比如，人们通过什么样的方法能测量和判定量子计算机会比经典计算机更加优秀？量子计算机可以用来解决哪些问题？如果届时不是用经典计算机作为参照物，科学家又怎么知道量子计算机在性能上已获得成功？

一些评论家曾大胆预言，量子技术将在不久以后主导信息技术产业。而相对于评论家的兴奋，计算机科学家和工程师则更加冷静地看待此事，他们并不将量子霸权视为一个节点性的突破，而是一种象征性的概念，通过这种概念从而将两种计算方式区分开来。当然，你也可以将其看成是一个很简洁的广告口号。

 图为 IBM 的一个包含 50 个量子比特系统的低温恒温器

神奇的数字

量子计算机可以根据量子规则操纵信息比特，而量子规则可以对最小尺度的物质的行为进行管理。在量子世界中，信息可由量子比特（量子位）进行编码，形象地说是由多个二进制 0 和 1 组成的量子态。通过将量子比特持续控制在相干量子叠加态——这时的量子比特间是互相关联的，并不是像经典计算机电路中每个比特（晶体管）是互相独立的——量子计算机就能进行更高效的计算，并且比经典计算机使用更少的（量子）比特，并且运算地更快。

IBM 和谷歌均已研发出了量子计算设备的原型机。11 月 10 日，IBM 宣布，其已研发出了一个 20 量子比特的设备，可以通过云端向公众提供量子计算算力。IBM 的计算机科学家也在同一天表示，他们也成功测试了一个 50 量子比特的电路。与此同时，谷歌也同样在研发拥有 49-50 个量子比特的设备，研究人员希望能在今年年底实现量子霸权 [2]。

量子计算机真的能够做一些经典计算机无法实现的运算，还仅仅是因为人们还没有在经典计算机上找到一个好的、足够智能的经典算法来做这样的运算，我们不得而知。但这也让量子霸权在理论层面成为了一个非常有意思的挑战：是否真的有存在一些问题能精准地证明量子计算能做经典计算无法完成的任务？

取样问题是大家最热衷讨论的一类问题，它将有效随机比特转化成来自预定义概率分布的比特，从而可在量子计算机上实现更高效地计算。John Martinis 率领的在加州圣巴巴拉市的谷歌团队已对在量子计算机上进行这样的采样机制进行了实验流程的描述，并声称，当其量子计算机达到 50 个量子比特的水平就可实现量子霸权。

由于这篇论文，50 个量子比特已变成一个标杆性的数字。这就是为什么，在 Edwin Pednault 与其在纽约约克敦海茨的 IBM 托马斯·J·沃森研究中心的同事们发布的一篇预印本论文 [3] 中写道，只要有足够精巧的装置，49 个量子比特的问题完全能通过经典计算机模拟。这一言论被一些新闻报告解读为是对谷歌利用仅仅 50 个量子比特就可以实现量子霸权的挑战。

与深度更相关

但事情并非完全如此。量子计算专家目前发现他们的研究思路被他们自己的研究工作所束缚：量子计算的成功并不仅是量子个数的问题。测量量子电路能力的主流指标之一是所谓的「深度（depth）」，即在量子比特相干性消失前一个量子比特系统能进行多少个逻辑运算（门），因为当量子比特退相干后计算错误就会激增，系统也没法进行近一步计算。量子比特之间是如何连接的问题也同样很重要。所以衡量量子电路的能力的真实方法是需要综合考虑一系列因素的，IBM 研究院称这些因素为「量子体积（quantum volume）」。