谷歌取得量子计算突破:200秒完成经典计算机10000年计算任务

                               
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图片来源：MIT Technology Review

钛媒体注：北京时间昨日晚间，据外媒报道，谷歌周三称在计算机研究领域取得了一项突破，打造出了第一台能够超越当今最强大的超级计算机能力的量子计算机。

该量子系统只用了 200 秒完成一个计算，而同样的计算用当今最强大的超级计算机 Summit 执行，需要约 10000 年。

为了详细介绍谷歌的量子成就，谷歌CEO桑德尔·皮查伊在公司网站上发表了题为“我们的量子计算里程碑意味着什么”的文章，对谷歌在量子计算领域取得的突破做了回顾，并对其应用前景进行了展望。

皮查伊在文章中称，谷歌取得这一突破前后共花费了13年的时间。当初之所以押注量子计算，是因为谷歌相信，量子计算可以加速解决一些世界上最紧迫的问题，从气候变化到疾病。

如今，有了这一突破，人们距离应用量子计算更近了一步。例如，设计更高效的电池，使用更少的能源制造肥料，并找出哪些分子可以制造有效的药物等等。

皮查伊还将谷歌取得的量子计算突破比作第一枚火箭成功脱离地球引力到达太空边缘：许多人质疑人类进入太空、探索太空的意义，但逐渐人们便意识到这是对科学来说的一个重大创举，因为它允许人类设想完全不同的旅行，到月球、火星，超越我们自己的星系；它将看似不可能的事情推上了日程。

谷歌的量子计算攻坚之路

实际上，入局量子计算领域，始于13年前。

彼时，谷歌科学家Hartmut Neven开始探索一个新的idea——用量子计算来加快机器学习的速度，并催生了谷歌AI量子团队。

2014年，美国物理学会院士John Martinis加入了谷歌，担任谷歌量子硬件首席科学家，领导构建量子计算机的工作。

两年后，量子计算理论首席科学家Sergio Boixo在Nature Communications上发表了相关论文，最终将团队的工作重点聚焦到了量子优势性计算任务上来。

这是一场伴随着风险与机遇的科研豪赌。即使对于谷歌的明星团队来说，也一样是巨大的挑战。

实际上，在去年10月之前，谷歌在量子优越性方面的进展始终有限。

然而，2018年10月，谷歌因加州野火久扑不灭，不得不短暂关闭位于圣克拉拉的实验室，一众科学家也被迫休假。但就在这期间，谷歌催生出新思路，然后在研究方法上实现了飞跃，从而为如今取得了卓越成就奠定了基础。

从经典计算机到量子计算机：计算量级的指数性突破

如今，鏖战13年，谷歌的这项研究成果终于发布。一开始，该突破性成就在 NASA 网站上发布，但不久被悄悄删除；如今，则发布在了最新一期的《自然》(“Nature”)杂志上。

                               
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Nature 同时还发表了一篇 “新闻与观点” 文章，称这一成就是量子计算的重大里程碑事件。

量子计算的一个目标是以指数级倍数超过传统经典计算机的速度执行特定计算任务。

实现这一目标需要克服许多挑战，比如在产生较大计算空间的同时保证计算错误率低，以及设计一种经典计算机难以处理、但量子计算机可以轻松完成的基准测试。

论文通讯作者 John Martinis 和同事描述了实现量子霸权所取得的技术进展。他们研制了一台由 54 个量子比特组成的处理器 (名为 Sycamore 处理器)，该处理器利用量子叠加和量子纠缠实现的计算空间与经典比特所能达到的相比，实现了指数级的增加。由于有 1 个量子比特无法有效工作，处理器实际只用了 53 个量子比特。

                               
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Sycamore 处理器的照片 图片来源@新智元

量子计算的指数级计算空间增长，是由量子比特的“叠置”属性实现的。

谷歌CEO皮查伊在其文章中提到，

“传统计算机中的一个比特（bit）可以将信息存储为0或1，而一个量子比特（qubit）可以同时为0和1，这便是“叠置”的属性。如果你有两个量子比特，就会有四种可能的状态，你可以把它们叠加在一起；对于333个量子比特，会有2^333，或1.7x10^100个计算状态。

显然，这种计算状态会呈“指数级”增长。你可以把它叠加在一起，允许量子计算机同时探索一个问题可能拥有的许多解决方案。”

“传统计算机中的一个比特（bit）可以将信息存储为0或1，而一个量子比特（qubit）可以同时为0和1，这便是“叠置”的属性。如果你有两个量子比特，就会有四种可能的状态，你可以把它们叠加在一起；对于333个量子比特，会有2^333，或1.7x10^100个计算状态。

显然，这种计算状态会呈“指数级”增长。你可以把它叠加在一起，允许量子计算机同时探索一个问题可能拥有的许多解决方案。”

此外，研究团队开发的纠错流程可以保证较高的运算保真度 （高达 99.99%）。为了测试该系统，团队设计了一项对量子电路产生的随机数字进行采样的任务。

对于经典计算机来说，这一任务的难度会随量子电路中量子比特数的增加而增加。最后，量子处理器在 200 秒左右的时间内从量子电路中采集了 100 万个样本，而当今最强大的超级计算机大约需要 1 万年的时间才能完成这一任务。

不过，对于谷歌在量子领域取得的开拓性成就，Nature 也在文章中指出，量子计算机投入实际应用前，还需开展更多工作，比如实现可持续的容错运算。

谷歌自身也对此表示，下一步，他们团队未来有两个主要目标：一个是将向合作者和学术研究人员，以及对开发算法和寻找今天的 NISQ 处理器的应用程序有兴趣的公司提供量子霸权级处理器，希望更多富有创造力的研究院进入这个领域；另外，他们也正在投资团队和技术，以尽快打造一台容错的量子计算机。

赞誉与质疑并存，IBM称谷歌夸大量子计算成果

从海外各大主流媒体的报道来看，无疑呈现出“谷歌突破一小步，人类科学一大步。”的赞誉之声。

这个突破经由CEO皮查伊亲自官宣、论文登上Nature 150周年纪念特刊的科技研究成果，甚至连特朗普的大女儿伊万卡都忍不住第一时间发出了推特贺电。

                               
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然而，针对谷歌“量子霸权”事件的批判和质疑也接踵而至。

就在Nature论文发表的前一天，IBM 研究人员发文称，谷歌并未充分利用超级计算机的存储潜力，所以上述说法可能站不住脚。

IBM这次的评论也可能源于两家大型科技公司在量子计算领域的激烈竞争。量子计算是一个未来领域，目前仍未出现确凿的领头羊，因此，谷歌和IBM都希望与对方一争高下，而微软、英特尔也积极参与到这项研究中。

针对此次谷歌的量子计算研究成果，IBM 团队写道:

在一个经典的系统上，同样的任务的理想模拟可以在 2.5 天内完成，而且保真度要高得多。

这实际上是一个保守的、最坏情况的估计，我们预计，随着进一步的改进，模拟的成本可以进一步降低。

在一个经典的系统上，同样的任务的理想模拟可以在 2.5 天内完成，而且保真度要高得多。

这实际上是一个保守的、最坏情况的估计，我们预计，随着进一步的改进，模拟的成本可以进一步降低。

持不同观点也包括其他的专家人士。美国路易斯安那州立大学教授乔纳森・道林说，目前，IBM 似乎有一些优势。谷歌选择了一个他们认为在经典机器上很难解决的问题，但现在 IBM 已证明这个问题没有谷歌想象的那么难。

这意味着谷歌或许并没有表现出量子霸权，这一赛道的竞争仍在激烈地持续。

（钛媒体编辑陶淘综合自新浪科技、量子位、新智元）

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