無人關(guān)心中國(guó)“奪回”量子霸權(quán)
這里僅截取兩個(gè)報(bào)道
Google2019年公開的量子計(jì)算機(jī)Sycamore，左邊人為CEO皮蔡
很多人都記得兩年前，也就是2019年10月，Google的54個(gè)量子位量子處理器 Sycamore 成為世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)勢(shì)”（或被稱為“量子霸權(quán)”）的處理器。
這個(gè)由理論物理學(xué)家John Preskill在2011年提出的，聽起來異常霸氣的詞匯，其實(shí)僅代表了一個(gè)簡(jiǎn)單的含義：未來一定會(huì)有明確證據(jù)來證明，量子計(jì)算機(jī)能夠解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法解決的問題。
其實(shí)，這個(gè)Google在2019年發(fā)布的奇異機(jī)器之所以被譽(yù)為劃時(shí)代突破，就在于提供了第一個(gè)明確的證據(jù)——他們用量子計(jì)算機(jī)解決了一個(gè)名為“隨機(jī)量子電路采樣”的問題。
譬如，對(duì)一個(gè)53比特20個(gè)cycle的電路采樣一百萬次，在量子計(jì)算機(jī)上需要200秒，而Google自稱，用當(dāng)時(shí)世界上最強(qiáng)的經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)則需要一萬年（被后來IBM經(jīng)典計(jì)算機(jī)團(tuán)隊(duì)跳出來狂錘，說只要2.5天）。
這個(gè)成果被大肆報(bào)道后，“量子計(jì)算機(jī)”這個(gè)命題開始在全球大國(guó)和發(fā)達(dá)國(guó)家中引起堪稱狂熱的重視（譬如德國(guó)，部署堪稱神速，是除中國(guó)和美國(guó)最重視量子計(jì)算的國(guó)家）。
終于，在2020年12月，大家的眼球又被潘建偉、陸朝陽(yáng)領(lǐng)導(dǎo)的中國(guó)量子計(jì)算技術(shù)團(tuán)隊(duì)所吸引，因?yàn)樗麄儙ь^研制的53量子位光子量子計(jì)算機(jī)“九章”，在某種程度上也實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”——
論文稱，九章在200秒內(nèi)完成了一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，如果要當(dāng)時(shí)世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”號(hào)做，則需要6億年。
“九章”量子計(jì)算機(jī)
的確很了不起。但全球?qū)@個(gè)結(jié)果的爭(zhēng)議不小。
很多科學(xué)家認(rèn)為，“九章”只能出這一個(gè)狠招——“求解高斯玻色取樣”，做其他任務(wù)或許并不能達(dá)到很好的效果。
這就好比一枚在解決某個(gè)問題性能爆棚的AI專用芯片，與通用型芯片CPU的區(qū)別。所以很多人覺得，Google的Sycamore更加實(shí)用，而九章趨向于“專業(yè)”。
但是，就在6月29日，一篇論文出現(xiàn)在網(wǎng)站 ArXiv（這是一個(gè)可以證明論文原創(chuàng)性的知名文檔預(yù)收錄服務(wù)器）——潘建偉與朱曉波教授帶領(lǐng)的中國(guó)技術(shù)團(tuán)隊(duì)在中國(guó)量子計(jì)算機(jī)“祖沖之”上，用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了使用超導(dǎo)量子位達(dá)成“量子優(yōu)勢(shì)”（也就是“量子霸權(quán)”）。
如果你持續(xù)關(guān)注量子計(jì)算機(jī)消息，那么應(yīng)該對(duì)“祖沖之”不陌生。它作為中國(guó)自研的第二個(gè)量子計(jì)算機(jī)，在2021年5月橫空出世時(shí)，曾引起過中國(guó)媒體的爭(zhēng)相報(bào)道。但也就止于“基礎(chǔ)信息介紹”了，除了一些人在知乎上討論外，它很快就消失在大眾視野中。
“祖沖之”的 二維超導(dǎo)量子位芯片原理，來自中國(guó)科技大學(xué)
而中國(guó)科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)（上海），就是在這臺(tái)66量子位的超導(dǎo)型量子計(jì)算機(jī)上，處理了2019年Google解決的那個(gè)計(jì)算問題——對(duì)隨機(jī)量子電路的輸出分布進(jìn)行采樣。
而結(jié)果是，他們使用了其中56個(gè)量子位（比Google多出3個(gè)），用1.2小時(shí)就完成了采樣。而這個(gè)結(jié)果需要當(dāng)前最強(qiáng)大的傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)用時(shí)8年。
6月29日出現(xiàn)在ArXiv上的論文
用你最擅長(zhǎng)的方式打敗你
5天來，“祖沖之贏得量子優(yōu)勢(shì)”的相關(guān)消息與論文，如今正在全球量子計(jì)算科研圈和國(guó)外媒體中持續(xù)發(fā)酵。
根據(jù)《新科學(xué)家》雜志的說法，GoogleSycamore與“祖沖之”都選擇解決了同一個(gè)問題——涉及到模擬量子電路并從其輸出結(jié)果中抽取隨機(jī)數(shù)。而這個(gè)問題，已經(jīng)成為證明量子計(jì)算的基準(zhǔn)問題。
“這個(gè)問題出現(xiàn)的理論基礎(chǔ)很難被總結(jié)，涵蓋了‘隨機(jī)矩陣?yán)碚?rsquo;、‘數(shù)學(xué)分析’、‘量子混沌’、‘計(jì)算復(fù)雜性和概率論’等等。
但重要的是你要清楚，解決這個(gè)問題需要的時(shí)間，隨著更多量子比特加入系統(tǒng)而呈指數(shù)增長(zhǎng)。這就讓經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)很快不堪重負(fù)，因此成為非常合適的‘量子優(yōu)勢(shì)’測(cè)試平臺(tái)。”
因此，如果從字面看，Google用53量子位耗時(shí)3分30秒完成了采樣，而中國(guó)的量子計(jì)算機(jī)則用56個(gè)量子位耗時(shí)1.2小時(shí)完成相同任務(wù)，似乎不叫“超越”。
（用腳趾頭想想，量子計(jì)算這種“鬼魅之物”，是能用字面意思去搞的嗎?。?/p>
但量子科學(xué)家們?cè)啻螐?qiáng)調(diào)，增加量子計(jì)算機(jī)的位數(shù)并不困難，但精確控制每一位非常難，而解決這個(gè)問題無疑要考驗(yàn)“精準(zhǔn)控制的能力”。要在高保真控制和讀出單個(gè)微波光子態(tài)(量子位)的條件（這兩個(gè)條件是非常重要的指標(biāo)）下實(shí)現(xiàn)56個(gè)量子位可擴(kuò)展性，難度要比53個(gè)量子位增加了無數(shù)倍。
無論從錯(cuò)誤率還是保真度，論文里稱都達(dá)到了頂級(jí)水平。
所以，《新科學(xué)家》雜志也直接給予了一個(gè)這樣的評(píng)價(jià)：“中國(guó)的量子計(jì)算機(jī)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)解決了一個(gè)至少比當(dāng)時(shí)（Google）難度高100倍的問題。”
此外，知乎上也有物理領(lǐng)域研究人士，在7月1日便刊出GoogleSycamore與祖沖之的“對(duì)比”，并給出了自己的看法——“祖沖之”躋身世界頂尖水平。
圖片來自知乎優(yōu)秀物理答主“少司命”的回答，懸鈴木就是Google的 Sycamore 。
圖片來自知乎答主“國(guó)產(chǎn)小栗旬”
其實(shí)很多人都容易忽略一個(gè)問題，就是“GoogleSycamore”“九章”和“祖沖之”背后的技術(shù)路線。
虎嗅根據(jù)現(xiàn)有公開資料查到，構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的物理體系包括光量子、量子點(diǎn)、離子阱、超導(dǎo)、冷原子、金剛石色心與核磁共振等等。
而如今的主流（也可以被認(rèn)為是發(fā)展較快）三大技術(shù)體系分別是“超導(dǎo)量子”、“光量子”和“離子阱”。
很明顯，“GoogleSycamore”與“祖沖之”都是走的的超導(dǎo)技術(shù)路線。根據(jù)論文中的介紹，“祖沖之”就是一臺(tái)可以同時(shí)操縱多達(dá)66個(gè)量子位的二維可編程超導(dǎo)量子處理器。
此外，大部分世界頂級(jí)的技術(shù)公司，譬如一直在量子計(jì)算領(lǐng)域窮追不舍的IBM和英特爾，都選擇了這個(gè)路線來參與世界量子霸權(quán)競(jìng)爭(zhēng)。
IBM的53位量子計(jì)算機(jī)Q
而“九章”則屬于“光量子”物理體系。比較兩者實(shí)現(xiàn)的運(yùn)算機(jī)制，光學(xué)的邏輯門操作主要通過偏振片實(shí)現(xiàn)，而超導(dǎo)的邏輯操作則要通過施加射頻信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。
但是，有量子技術(shù)專家告訴虎嗅，與超導(dǎo)相比，雖然光子可在室內(nèi)低溫運(yùn)行，也有“相干時(shí)間長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)”，但“做到靈活且精準(zhǔn)操縱”還是個(gè)難點(diǎn)。
而上面我們講過的那個(gè)測(cè)試量子計(jì)算性能的標(biāo)桿性問題——“隨機(jī)量子電路采樣”需要對(duì)量子比特進(jìn)行精準(zhǔn)操控，這直接關(guān)系到量子計(jì)算機(jī)的通用性。
因此，涉及到通用性難題，這個(gè)路線一直沒有太多企業(yè)愿意深入去研究。
有趣的是，具有量子比特品質(zhì)高、相干時(shí)間較長(zhǎng)等特質(zhì)的“離子阱”路線，雖然誕生早于超導(dǎo)，但一直有點(diǎn)默默無聞，直到近兩年才愈加受到全球企業(yè)級(jí)市場(chǎng)的關(guān)注。
除了在量子計(jì)算領(lǐng)域埋頭啃了10年的工業(yè)巨頭霍尼韋爾，在2020年研發(fā)出了離子阱量子計(jì)算機(jī)以外，目前世界存在的極少數(shù)量子計(jì)算創(chuàng)業(yè)公司之一IonQ（孵化于量子計(jì)算研究很有名的美國(guó)馬里蘭大學(xué)），也推出了基于“離子阱”的32量子位量子計(jì)算系統(tǒng)，并計(jì)劃上市。
IonQ 在2020年10月發(fā)布的新一代離子阱量子計(jì)算機(jī)。新系統(tǒng)有32個(gè)量子位(IBM 和Google的機(jī)器只有50個(gè)) ，但他們稱降低了錯(cuò)誤率，使新系統(tǒng)的保真度達(dá)到99.9%。
所以，與“光量子路線取得一定成就，但頗具應(yīng)用爭(zhēng)議”的九章相比，很大程度上，2021年橫空出世的“祖沖之”更像是中國(guó)技術(shù)團(tuán)隊(duì)奮起直追，在“超導(dǎo)”這個(gè)大家相同的賽道上，解決了難度系數(shù)更高的問題。
可謂“以其人之道，還治其人之身”，在全球量子計(jì)算技術(shù)的通用性進(jìn)展上又邁出了屬于中國(guó)的一步。
英國(guó)物理學(xué)家、量子光學(xué)教授、倫敦帝國(guó)理工學(xué)院高級(jí)研究員Peter Knight昨天給予了公開回應(yīng)，稱贊這是一個(gè)令人印象深刻的進(jìn)步——因?yàn)樾阅茈S量子位數(shù)量的增長(zhǎng)會(huì)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，而性能增長(zhǎng)就意味著更快速的收益。
“我很興奮，這個(gè)實(shí)驗(yàn)證明了‘我們以為是正確的但卻沒有被證明過’的事實(shí)：只有多加幾個(gè)量子位就能打敗傳統(tǒng)機(jī)器（業(yè)內(nèi)一般認(rèn)為50量子比特是一個(gè)超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的基準(zhǔn)）。
所以你想想（逐漸停滯）的摩爾定律，就意味著建立更好的計(jì)算機(jī)，只需要在量子處理器上加一把量子位。
所以，這里面就存在著一個(gè)‘量子摩爾定律’——這意味著量子比特的數(shù)量正以指數(shù)方式增長(zhǎng)。”
寫在最后：這只是一小步
又把中國(guó)的第二代量子計(jì)算機(jī)“祖沖之”再夸一遍，是想明確告訴大家，中國(guó)的量子計(jì)算水平的確正在躋身世界頂級(jí)行列。但這并不意味著我們真的超越了國(guó)外的技術(shù)水平，也不意味著量子計(jì)算機(jī)離真正落地實(shí)用有多么近。
的確，與普通的計(jì)算機(jī)位只能存儲(chǔ)“0或1”不同，，量子比特既可以存儲(chǔ)0，也可以存儲(chǔ)1，可以通過一種叫做疊加的概念來存儲(chǔ)兩者的組合，這意味著什么？
意味著量子計(jì)算機(jī)的處理能力會(huì)隨著量子比特?cái)?shù)的增加而呈指數(shù)級(jí)上升。舉個(gè)例子，量子計(jì)算機(jī)如果有N比特，那么可以一次對(duì)2的N次方進(jìn)行運(yùn)算，相當(dāng)于在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上計(jì)算2的N次方次，可以解決后者無法解決的大規(guī)模計(jì)算難題。
極其了不起。但解決這些難題，是有同樣多的附加條件的，譬如，究竟得多大規(guī)模。
我最近看到了一些有趣的趨勢(shì)。由于全球的量子計(jì)算概念火爆到泡沫浮起，一批又一批國(guó)外的量子計(jì)算研究者，終于愿意從小隔間里走出來，向大眾“科普”真正的量子計(jì)算究竟是什么樣子的。
譬如，一個(gè)名叫Scott Aaronson的頗為有趣的量子計(jì)算研究員，就公開吐槽“全球都在吹捧量子計(jì)算機(jī)無所不能”的荒謬現(xiàn)實(shí)：
“你可能聽說過，量子計(jì)算機(jī)是種神奇的超級(jí)機(jī)器，它將很快通過‘在不同的平行宇宙中嘗試所有可能的答案’（這里就是指量子計(jì)算的并行性）來治愈癌癥和全球變暖。
我一直在抱怨這種卡通化的想法，試圖解釋我認(rèn)為更微妙但更具諷刺意味的事實(shí)。作為一名量子計(jì)算機(jī)研究者，我把這當(dāng)作一項(xiàng)公共服務(wù)和我的道德責(zé)任。
如果一個(gè)商業(yè)或科技記者可以誠(chéng)實(shí)地告訴讀者就好了，但現(xiàn)實(shí)是‘看，在引擎蓋下面藏著這些深?yuàn)W的量子技術(shù)，但你只需要理解底線：物理學(xué)家即將建造更快的計(jì)算機(jī)，它將徹底改變一切。’
但最大的問題是，量子計(jì)算機(jī)不會(huì)徹底改變一切。
是的，他們可能有一天在幾分鐘內(nèi)解決一些特定問題，但(我們認(rèn)為)這些問題將比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上的宇宙年齡還要長(zhǎng)。而大多數(shù)專家認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)對(duì)于許多其他重要問題的幫助微乎其微。
此外，盡管 Google 和其他公司最近發(fā)表了可信聲明，稱自己已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量子加速，但這只是針對(duì)特定的、深?yuàn)W的基準(zhǔn)測(cè)試（我參與設(shè)計(jì)了測(cè)試）。在破譯密碼和模擬化學(xué)等實(shí)際應(yīng)用中，量子計(jì)算機(jī)的體積和可靠程度足以勝過傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，但這還有很長(zhǎng)的路要走。”
量子計(jì)算的每一步成功都值得慶賀，但也都是“漫漫基礎(chǔ)技術(shù)研究長(zhǎng)河”中的一小瓢水，希望每個(gè)人都能對(duì)所有諸如“厲害了，量子計(jì)算機(jī)完全超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)”這種聳人聽聞的標(biāo)題下的真相，保持自己的思考。
