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【文/觀察者網(wǎng)專欄作者 王孟源】

上個月，NASA大意提前泄露了Google的量子霸權(quán)論文，因為違反了Google公關(guān)部門的計劃，所以很快就撤下。其后，Google遵循典型的商業(yè)炒作方案，始終三緘其口，一直到2019年10月23日，論文正式在《Nature》發(fā)表，伴隨著各式各樣的公關(guān)吹噓，鋪天蓋地而來。

有趣的是，與其同時，IBM在官方博客公然唱反調(diào)，發(fā)表了一篇自己的論文稿，宣稱已經(jīng)證明Google并沒有達到量子霸權(quán)。那么到底誰是誰非呢？

首先，我們先回顧一下什么是“量子霸權(quán)”；它指的是量子計算器在某個有實用價值的程序上能比現(xiàn)有的古典計算機高效許多。請注意，一般人往往忘記這個定義中要求有實用價值的那部分，所以我一開始就疑心Google團隊鉆的是這個漏洞，而且已經(jīng)寫過一篇文章來推測其中的奧秘（參見前文《Google的量子霸權(quán)是怎么回事？》）。現(xiàn)在因為有了更詳細的消息，我可以更精確地解釋Google的這篇論文，希望讓理工科出身的讀者都能理解。

下面是Google所用的Sycamore（梧桐；名字純屬巧合，不要亂做聯(lián)想）量子處理器的示意圖；其中灰色的叉叉是個別量子位，藍色的長方塊是耦合器，共有88個，它們負責(zé)將兩個相鄰的位轉(zhuǎn)化為糾纏態(tài)。原本應(yīng)該有54個量子位，但是其中一個失效無法修復(fù)（白色叉叉），所以整個實驗只能用上53個位；有效的耦合器也因而減少了兩個，剩下86個。

Google所做的程序是先從86個耦合器和53個位中隨機選出部分，被選中的會被開啟而發(fā)生作用，叫做閘門（Gate）。位的閘門（Single-Qubit Gate）作用是產(chǎn)生對應(yīng)著隨機古典結(jié)果的量子態(tài)；耦合器的閘門（Two-Qubit Gate）作用則是將相鄰的位糾纏起來。這些作用合起來，形成一個循環(huán)（Cycle）；全部總共有20多個循環(huán)被事先隨機確定，它們一起組成一個線路（Circuit）。Google在實驗中所用的最復(fù)雜線路，包含了1113個單位元閘門和430個雙位閘門。

接下去是重復(fù)以下的這個程序圈子（Loop）：首先把所有的位清零；接著讓事先選定的固定線路發(fā)生作用，制造出新的量子態(tài)；然后全部位進行塌縮，以便形成古典的0或1讀出。所以結(jié)果是一個看似隨機的53位序列，但是內(nèi)含量子糾纏，所以位之間并非真正的統(tǒng)計獨立，而是有由量子糾纏來決定的復(fù)雜相關(guān)性（Correlation）。

經(jīng)過小規(guī)模的試用之后，最終Google團隊用全部53個量子位跑這個程序圈子3千萬次，這一共費時200秒。Google估計最新的古典超級計算機也要耗時10000年，所以可以自夸“量子霸權(quán)”。

IBM出來潑冷水的研究，是采用了更高效的古典超級計算機設(shè)置，結(jié)果只用了兩天半，大約比Google團隊的估計快了八個數(shù)量級，所以并非沒有意義的。

IBM為美國能源部開發(fā)建造的“頂點”超級計算機

然而這個古典程序的運行時間（Runtime），可以在數(shù)學(xué)上證明是與2^n成正比，這里n是量子位的數(shù)目，亦即Google實驗中的53。所以即使在n=53的條件下古典計算機還可以一搏，到n=90左右的時候，也會重現(xiàn)量子霸權(quán)。這大概也就是三四年的研發(fā)時間。

IBM的算法（Algorithm）仍然是以蠻力（Brute Force）為主，如果未來發(fā)明了更巧妙的算法，可能會讓古典程序又再增速幾個數(shù)量級，不過這頂多是把門坎抬高到n=200。換句話說，最多最多也就是延遲Google的量子霸權(quán)十年左右罷了。

那么我們的結(jié)論是量子霸權(quán)在2030年之前必然會發(fā)生嗎？不是的，Google這篇論文的真正問題，不在這些細節(jié)上，而在于整體設(shè)計，也就是我在本文開頭所提的，程序的實用價值。

要比較兩個不同工程方案的優(yōu)劣，一個很重要的隱性前提是要達成同樣的、有實用價值的目標(biāo)。Google的公關(guān)文稿，把他們的這個“成就”和100多年前萊特兄弟（Wright Brothers）的首次飛行相比，就是故意混肴視聽：萊特兄弟（Wright Brothers）的飛機是圍繞著一個歷史長久、公認(rèn)有價值的目標(biāo)（亦即動力飛行）而設(shè)計制造的成品；Google的Sycamore卻執(zhí)行了一個一點用處都沒有的程序。

真正類似的，是建造出一個復(fù)雜而沒有實用性的機器，然后說它在產(chǎn)生獨特的噪音上，有無可比擬的效率。換句話說，他們是先射箭、再畫靶，Sycamore自己隨便動一動，然后叫古典計算機來做仿真；如果這樣也算量子霸權(quán)，那么隨便找一個有53個原子的系統(tǒng)，要求古典計算機來仿真它歷時200秒的演變，同樣也會需要萬年以上。

事實上，Google的這個結(jié)果，比毫無實用價值還要糟糕。要理解這一點，我們先回顧一下當(dāng)前量子計算界的處境。現(xiàn)在的世界紀(jì)錄是大約100個量子位（DWave的量子計算器是假的）；但是這些位很不穩(wěn)定，非常容易與周圍的巨觀環(huán)境起作用而喪失量子態(tài)，這是我以前詳細討論過的量子退相干過程（Quantum Decoherence）。要知道計算的輸出（Output）是程序邏輯的結(jié)果，而不是量子噪音的后果，就必須有糾錯機制。

目前人類所知的量子糾錯機制，必須用上80-10000個原始的量子位，才能產(chǎn)生1個穩(wěn)定可靠的位（叫做邏輯位，Logical Bit）。世界紀(jì)錄是連1個邏輯位都沒有的。

Google的這個“突破”，第一個巧妙之處在于用的是內(nèi)生的（Endogenous）隨機量子態(tài)，而不是事先指定的（亦即Exogenous，外源性的）串行。雖然Google團隊可以試圖去影響這些原始量子位之間的糾纏，實際上是否成功，并不能絕對精確地驗證。換句話說，他們根本沒有解決糾錯的基本難關(guān)，而只估計出Sycamore保持量子態(tài)的半衰期大約是10微秒，那么因為每一輪程序圈子費時不到7微秒（=200秒/30000000輪），大部分時候量子退相干還沒有發(fā)生。然后又再巧妙地只考慮統(tǒng)計結(jié)果，那么少部分的噪音就可以遮蓋住了。

這里最基本的毛病，在于Google的量子計算器并無法自行保證結(jié)果是正確的，事實上我們知道它不可能是絕對正確的，頂多只能是近似正確。相對的，古典計算機給出的結(jié)果卻是絕對精確可靠的。這時硬要比較兩者所費的時間，顯然不是公平的。

經(jīng)讀者指出，此圖來自孫昌璞院士等作者的論文

事實上，有丁點實用價值的量子計算，至少也必須達到上圖的藍色區(qū)域。目前量子計算被吹捧并獲得各國政府極度重視的真正原因，是能夠破解通信上的公開碼，那么就必須達到上圖中的紅色區(qū)域。Google的量子計算器雖然算是先進，但距離實用目標(biāo)還有至少九個數(shù)量級之遙；現(xiàn)在就宣稱勝利，純屬忽悠大眾的商業(yè)宣傳。

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