谷歌量子计算机：还要解决哪些问题？

10月28日消息，据外媒报道，谷歌不久前宣称成功实现了“量子霸权”(Quantum Supremacy)，推出包含53个有效量子比特的处理器Sycamore，“对一个量子电路产生的随机数字采样100万次”的计算任务，谷歌量子计算机只需要200秒，而世界最强超算Summit需要1万年。为了证明谷歌量子计算机到底有多神奇，科技记者尼尔·萨维奇(Neil Savage)日前亲自操作体验了一把，并称就像变魔术。

记者亲身感受：量子计算机哪里不同

在谷歌位于美国加州戈莱塔(Goleta)类似车库的实验室里，我站在巨大的触摸屏前，用手指在显示屏上移动包含X、Y、H和其他神秘符号的小方块。这些方块代表的是可以在一个量子比特上执行的函数，而量子比特则位于附近的银色大圆柱体内。在无数函数中，有些会使比特从1翻转到0，或从0翻转到1。

显示屏上的另一个正方形显示了量子比特的状态，它看起来像是在球体内的棒棒糖。当“棒棒糖”移动时，它旁边的数字在1.0000到0.0000之间振荡。这是量子比特的强项之一：它们不必像二进制位中那样要么是1要么是0，而是可以在介于两者之间的状态存在。这种“叠加”特性允许每个量子比特一次不止执行一次计算，而是以一种看起来特别神奇的方式加速计算。

尽管量子比特的最终读数依然是1或0，但所有这些中间步骤的存在意味着传统计算机很难或不可能进行类似的计算。对于外行人来说，这个过程可能看起来有点儿像魔术，挥挥手、轻触触摸屏，然后从量子帽中拉出一只兔子。谷歌邀请我和其他记者来到这里，旨在揭开这个魔术的神秘面纱，以证明它根本不具有魔力。

在屏幕的右半部分，曲折的线条显示与在量子比特上执行的函数相对应的波形。在这个部分的旁边是个台式打印机大小的盒子，它将这些波形作为电脉冲通过电线发送到银色圆柱体中。如果圆柱体打开，你会看到里面有六层腔室，层层排列，就像用金属丝装饰的、颠倒过来的婚礼蛋糕。每层腔室都被冷却到比其上面腔室温度低得多的程度;最下面一层达到0.015开氏度(-273.135摄氏度)，几乎仅是外层空间的1/200。

这些腔室都是真空的，不受光和热的影响，否则会破坏微妙的量子比特，这些量子比特位于所有导线末端的芯片上，在黑暗和寒冷中被隔离。每个量子比特的直径约为0.2毫米，通过普通显微镜可以看到。但是经过冷冻和避过外部影响后，每个量子比特都变成了超导体，让电子自由流动，就好像它成了单原子，可以用量子力学定律决定其行为。

强度适当的微波脉冲促使量子比特振动。当两个相邻的量子比特达到相同的共振频率时，它们就会相互纠缠，这是另一种量子力学属性，这意味着测量一个量子比特的状态也会让你了解另一个量子比特的状态。不同频率的电磁脉冲会引起量子比特翻转。

各方评论：“量子霸权”有意义吗？

谷歌的量子软件工程师克雷格·吉德尼(Craig Gidney)表示，“量子计算机更像是装有一串钟摆的盒子。我和其他在腔室外发送信号的人正在拉动钟摆的弦，通过改变它们的摆动幅度来执行不同的逻辑运算。”

谷歌的量子团队称，所有这些寒冷和振动让其获得了量子霸权，让量子计算机可以做普通计算机无法做到的事情。在本周发表在《自然》杂志上的论文中，谷歌工程师描述了他们用来证明量子霸权的基准实验。他们的程序运行在50多个量子比特上，检查量子随机数发生器的输出。

谷歌量子人工智能实验室经理哈特穆特·奈文(Hartmut Neven)说，有些批评人士抱怨这是个人为问题，只适用于有限的现实应用程序。对此，奈文反驳称：“Sputnik(人类第一颗人造卫星)也没有太多实际用途，它只是绕着地球旋转。然而，它代表着太空时代的开始!”

芝加哥大学专注于量子信息工程的凝聚态物理学家戴维·奥沙洛姆(David Awschalom)没有参与这项研究，但他同意谷歌项目解决了一个非常特殊的问题，并补充说，谷歌不能声称自己拥有了通用量子计算机。他说，通用量子计算机可能需要100万个量子位元，而且还需要很多年才能实现。但他相信，谷歌的团队已经实现了重要的里程碑，为其他科学家取得突破奠定了基础。

谷歌的量子计算芯片被称为Sycamore，使用了53个量子比特来实现其结果，芯片上第54个量子比特出现了故障。Sycamore的目标是随机产生1和0的字符串，每个量子比特可产生253比特字符串(也就是大约9.700199254740992千万亿位字符串)。由于量子位相互作用的方式，有些字符串比其他字符串更有可能出现。

Sycamore运行数字生成器100万次，然后对结果进行采样，得出任何给定字符串出现的概率。谷歌团队还在橡树岭国家实验室的超级计算机Summit上运行了一个更简单的测试版本，然后根据这些结果进行外推，以验证Sycamore的输出。新的芯片在200秒内完成了任务。研究人员估计，同样的运算需要花费Summit上万年的时间。

然而，IBM的研究人员上周早些时候发表论文，称在理想条件下，使用额外的内存存储，Summit可以在两天半内完成上述任务。IBM也在致力于开发量子计算，该公司科学家们在IBM Research博客上写道：“因为加州理工学院理论物理学家约翰·普雷斯基尔(John Preskill)在2012年提出的‘量子霸权’这个术语的最初含义，是为了描述量子计算机可以做经典计算机无法做到的事情，显然谷歌量子计算机还没有迈过这个门槛。”因此，也许谷歌取得的成就可以贴上“量子优势”的标签。

但德克萨斯大学奥斯汀分校理论计算机科学家斯科特·阿隆森(Scott Aaronson)表示，说量子霸权尚未实现并不完全正确，毕竟Sycamore的速度比Summit快得多。随着谷歌系统中量子比特数量的增长，其计算能力将呈指数级增长。从53个量子比特增加到60个量子比特将使该公司量子计算机的计算能力相当于33台Summit。在达到70个量子比特时，类似Summit的传统超级计算机可能要变得与城市大小相当才能拥有同样的处理能力。

阿隆森还表示，谷歌所取得的成就可能已经有了些意想不到的实用价值。谷歌的系统可以用来产生被量子物理定律证实为随机的数字。例如，该应用程序可能会产生比人类或传统计算机所能提供的密码强得多的密码。

阿隆森承认：“我现在不确定，争论它是不是取得了‘霸权’是否正确。”他说，量子计算领域尚未就比较不同量子计算机的最佳方式达成一致，特别是那些建立在不同技术上的量子计算机。尽管IBM和谷歌都在使用超导体来创建它们的量子比特，但另一种方法依赖于捕获离子，即带电原子悬浮在真空中，并由激光束操纵。IBM提出了一种称为“量子体积”的度量标准，其中包括诸如量子比特执行计算的速度以及它们避免或纠正错误的能力等因素。

谷歌还要解决哪些问题？

事实上，纠错是量子计算机科学家必须掌握的，这样他们才能制造出真正有用的设备，特别是包含数千个量子比特的设备。研究人员说，到那时，机器可以对化学反应进行详细的模拟，这可能会促使新的药物或更好的太阳能电池出现。而且他们还可以快速破解最常用于保护互联网数据的密码。

不过，要想达到这种性能，量子计算机必须能够自我纠正，找到并修复其操作中的错误。当一个量子比特自发地从1翻转到0，或者当它的量子叠加由于外部世界的干扰而衰减时，就会出现错误。谷歌的量子比特目前在衰变前持续约10微秒。项目研究人员玛丽莎·朱斯蒂娜(Marissa Giustina)说：“它们的寿命是有限的。它们非常脆弱，当与周围环境相互作用时，我们可能就会失去量子信息。”

传统计算机通过冗余来解决纠错问题，通过测量电容器中的单个电子而不是数万个电子来决定数字位是开还是关。相反，量子比特本质上是概率问题，所以试图将它们聚集在一起执行批量测量是行不通的。谷歌正在开发一种统计方法来纠正错误，加州大学圣巴巴拉分校物理学家约翰·马蒂尼斯(John Martinis)与该公司合作开发了Sycamore。他表示，到目前为止，初步结果显示，没有任何迹象表明错误纠正变得越来越好。看起来，这个项目还会继续下去。

与此同时，谷歌的工程师将致力于改进他们的量子比特，以产生更少的错误，这也可能允许更多的量子比特相互关联。他们还希望缩小链子计算机的控制箱体积，每个控制箱可以处理20个量子比特及其相关电路，因此需要三个控制箱才能运行Sycamore的53个量子比特。如果他们的系统增长到大约1000个量子比特，其冷却需求将超过那些巨大银色圆柱体的容量。

在谷歌从事量子硬件和架构工作的朱利安·凯利(Julian Kelly)表示，该公司的声明首先是一项工程成就，但它可能会开辟一片未开发的领域。他说：“我们已经证明了量子硬件可以做些极其困难的事情，我们正在以前没有人能够进行实验的领域开展业务。不过，这种进步产生的影响还不确定，毕竟我们也才刚刚迈入这道门槛儿。”