谷歌宣称首次实现量子优越性，IBM“不服”，中国同行咋看？

2019年8月23日，谷歌在持续重金投入量子计算13年后，成功摘取量子计算领域的一个重要里程碑：实验证明“量子优越性”，在特定任务上，量子计算机可以大大超越经典计算机的计算能力了。虽然，费曼在38年前就提出了量子并行计算的概念，但是，这个第一次真正确信无疑地演示这种超级计算能力，花费了全世界科学家们几十年的努力。有国际专家把这个成果比喻为莱特兄弟的首飞，虽然当时的飞行器非常简陋，飞行只持续了12秒，完全没有实用价值，但是这预示了一个新技术时代即将到来的曙光。

应该指出的是，谷歌的阶段性实验绝不是终点，而是一个起点。今年9月份在合肥举办的新兴量子技术国际大会的白皮书指出，量子计算研究可以沿如下路线开展：“第一个阶段是实现量子优越性，即针对特定问题的计算能力超越经典超级计算机，这一阶段性目标将在近期实现；第二个阶段是实现具有应用价值的专用量子模拟系统；第三个阶段是实现可编程的通用量子计算机，还需要全世界学术界的长期艰苦努力。”

——中国科学技术大学 潘建伟

10月23日，权威杂志Nature刊出了谷歌量子AI团队的的最新科研工作“Quantum supremacy using a programmable superconducting processor”。至此，谷歌宣称的“量子优越性”终于“坦然公布于众”。事实上，谷歌的论文在9月就曾被NASA披露，虽不久后被悄悄删除，但该论文已经在业内流传开，并且引起了轩然大波。

论文报道了谷歌团队基于一个包含53个可用量子比特的可编程超导量子处理器，运行随机量子线路进行采样，耗时约200秒可进行100万次采样，并且估计如果使用目前强大的超算Summit来计算得到同样的结果，需耗费约 1 万年。据此，谷歌宣称实现了“量子优越性”。

一、什么是“量子优越性”？

近年来，由于超导量子计算技术的快速发展，量子计算逐渐发展到50个左右量子比特规模。尽管如此，考虑到量子纠错需要耗费的资源，真正具备实用化的通用量子计算机至少需要10万-100万量级的量子物理比特。因此，量子计算机的研制是一个极具挑战并且周期可能较长的工作。

为了推动量子计算机的研制，我们必须把其分成一个个的小目标，依据小目标的指引，不断突破。第一个小目标就是“量子优越性”(Quantum Supremacy)，指的是量子计算机在某个特定问题上的计算能力远超过性能最好的超算，证明量子计算机的优越性。因此，“量子优越性”被认为是量子计算发展道路上的一个重要里程碑。

刚才提到的“某个特定问题”，即经过精心设计，非常适合于量子计算设备发挥其计算潜力的问题。这类问题包括随机量子线路采样（Random Circuit Sampling）[1]、IQP线路（Instantaneous Quantum Polynomial）[2]、玻色采样（Boson Sampling）[3]，而谷歌量子AI团队所针对的问题是随机量子线路采样。

所谓随机量子线路，简单说就是随机从一个量子门的集合中挑选单比特量子门，作用到量子比特上，每作用一层单比特量子门，就会接着做一层两比特量子门，多次重复这样的操作后，测量最终的量子态，即完成一次采样。谷歌为什么挑选这样的问题？主要有两个原因：第一，随机线路采样问题非常适合于在二维结构的超导量子计算芯片上实验实现；第二，已经有很多理论工作证明了随机线路采样问题的困难性。

图1  随机量子线路采样示意图

至于为什么随机量子线路经典计算机很难模拟，这里就不再详细叙述（感兴趣的可以参考Adam Bouland等人，以及清华学霸陈立杰和MIT量子计算专家Scott Aaronson对该问题计算复杂度的研究[4][5]）。但是我们可以举个例子来简单说明一下，比如一个50比特的随机量子线路采样，最终输出的量子态的态空间的维度是250，如果使用经典计算机模拟，首先要存储如此高维度的量子态是极其困难的，其次，在如此高维的计算空间上，模拟每一层的量子计算操作，直至输出最终的计算结果，更是难上加难！

这次谷歌的实验设计的是他们的第三代的线路结构：Sycamore（悬铃木），之前第一代，第二代（狐尾松），已经被中科大团队利用量子隐形传态的思想，在经典超级计算机—神威太湖之光上有效模拟了高达1000个量子比特42深度的链型线路，和72个量子比特32深度的狐尾松结构二维线路[6]。受到这一模拟能力的挑战，谷歌被迫设计了“悬铃木”结构的新线路。在谷歌正式发表的nature论文中，引用了中科大团队的这一结果。

这里说个题外话，中科大的相关团队一直在演示“量子优越性”的另一途径——光子玻色采样的实验上处于国际领先地位。巧合的是，昨天（10月23日）在arXiv上公布了该团队的阶段性新成果[arXiv: 1910.09930][7]：20光子输入60*60模式的玻色采样。论文打破了光子数、模式数、量子态空间三项国际记录，宣称首次达到了百万亿级的输出量子态空间，比之前国际光学同行的工作提高了百亿倍。中国团队有望在光学玻色采样问题上实现量子优越性。论文还在同行评审中。

图2  20光子玻色采样示意图

二、谷歌量子AI团队的突破

（编辑：核心网）

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