谷歌宣稱“量子霸權(quán)”被中國博士怒懟：純屬忽悠大眾
上個(gè)月，NASA大意提前泄露了Google的量子霸權(quán)論文，因?yàn)檫`反了Google公關(guān)部門的計(jì)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(shí)，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(dá)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(jì)算器在某個(gè)有實(shí)用價(jià)值的程序上能比現(xiàn)有的古典計(jì)算機(jī)高效許多。請注意，一般人往往忘記這個(gè)定義中要求有實(shí)用價(jià)值的那部分，所以我一開始就疑心Google團(tuán)隊(duì)鉆的是這個(gè)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?yàn)橛辛烁敿?xì)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(gè)別量子位，藍(lán)色的長方塊是耦合器，共有88個(gè)，它們負(fù)責(zé)將兩個(gè)相鄰的位轉(zhuǎn)化為糾纏態(tài)。原本應(yīng)該有54個(gè)量子位，但是其中一個(gè)失效無法修復(fù)(白色叉叉)，所以整個(gè)實(shí)驗(yàn)只能用上53個(gè)位;有效的耦合器也因而減少了兩個(gè)，剩下86個(gè)。
Google所做的程序是先從86個(gè)耦合器和53個(gè)位中隨機(jī)選出部分，被選中的會(huì)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(jī)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(gè)循環(huán)(Cycle);全部總共有20多個(gè)循環(huán)被事先隨機(jī)確定，它們一起組成一個(gè)線路(Circuit)。Google在實(shí)驗(yàn)中所用的最復(fù)雜線路，包含了1113個(gè)單位元閘門和430個(gè)雙位閘門。
接下去是重復(fù)以下的這個(gè)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(jìn)行塌縮，以便形成古典的0或1讀出。所以結(jié)果是一個(gè)看似隨機(jī)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(jì)獨(dú)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(tuán)隊(duì)用全部53個(gè)量子位跑這個(gè)程序圈子3千萬次，這一共費(fèi)時(shí)200秒。Google估計(jì)最新的古典超級(jí)計(jì)算機(jī)也要耗時(shí)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(jí)計(jì)算機(jī)設(shè)置，結(jié)果只用了兩天半，大約比Google團(tuán)隊(duì)的估計(jì)快了八個(gè)數(shù)量級(jí)，所以并非沒有意義的。
然而這個(gè)古典程序的運(yùn)行時(shí)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(shí)驗(yàn)中的53。所以即使在n=53的條件下古典計(jì)算機(jī)還可以一搏，到n=90左右的時(shí)候，也會(huì)重現(xiàn)量子霸權(quán)。這大概也就是三四年的研發(fā)時(shí)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(huì)讓古典程序又再增速幾個(gè)數(shù)量級(jí)，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(huì)發(fā)生嗎?不是的，Google這篇論文的真正問題，不在這些細(xì)節(jié)上，而在于整體設(shè)計(jì)，也就是我在本文開頭所提的，程序的實(shí)用價(jià)值。
要比較兩個(gè)不同工程方案的優(yōu)劣，一個(gè)很重要的隱性前提是要達(dá)成同樣的、有實(shí)用價(jià)值的目標(biāo)。Google的公關(guān)文稿，把他們的這個(gè)“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(jī)是圍繞著一個(gè)歷史長久、公認(rèn)有價(jià)值的目標(biāo)(亦即動(dòng)力飛行)而設(shè)計(jì)制造的成品;Google的Sycamore卻執(zhí)行了一個(gè)一點(diǎn)用處都沒有的程序。
真正類似的，是建造出一個(gè)復(fù)雜而沒有實(shí)用性的機(jī)器，然后說它在產(chǎn)生獨(dú)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(dòng)一動(dòng)，然后叫古典計(jì)算機(jī)來做仿真;如果這樣也算量子霸權(quán)，那么隨便找一個(gè)有53個(gè)原子的系統(tǒng)，要求古典計(jì)算機(jī)來仿真它歷時(shí)200秒的演變，同樣也會(huì)需要萬年以上。
事實(shí)上，Google的這個(gè)結(jié)果，比毫無實(shí)用價(jià)值還要糟糕。要理解這一點(diǎn)，我們先回顧一下當(dāng)前量子計(jì)算界的處境。現(xiàn)在的世界紀(jì)錄是大約100個(gè)量子位(DWave的量子計(jì)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(xì)討論過的量子退相干過程(Quantum Decoherence)。要知道計(jì)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(cuò)機(jī)制。
目前人類所知的量子糾錯(cuò)機(jī)制，必須用上80-10000個(gè)原始的量子位，才能產(chǎn)生1個(gè)穩(wěn)定可靠的位(叫做邏輯位，Logical Bit)。世界紀(jì)錄是連1個(gè)邏輯位都沒有的。
Google的這個(gè)“突破”，第一個(gè)巧妙之處在于用的是內(nèi)生的(Endogenous)隨機(jī)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(tuán)隊(duì)可以試圖去影響這些原始量子位之間的糾纏，實(shí)際上是否成功，并不能絕對精確地驗(yàn)證。換句話說，他們根本沒有解決糾錯(cuò)的基本難關(guān)，而只估計(jì)出Sycamore保持量子態(tài)的半衰期大約是10微秒，那么因?yàn)槊恳惠喅绦蛉ψ淤M(fèi)時(shí)不到7微秒(=200秒/30000000輪)，大部分時(shí)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(jì)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(jì)算器并無法自行保證結(jié)果是正確的，事實(shí)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(jì)算機(jī)給出的結(jié)果卻是絕對精確可靠的。這時(shí)硬要比較兩者所費(fèi)的時(shí)間，顯然不是公平的。
事實(shí)上，有丁點(diǎn)實(shí)用價(jià)值的量子計(jì)算，至少也必須達(dá)到上圖的藍(lán)色區(qū)域。目前量子計(jì)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(dá)到上圖中的紅色區(qū)域。Google的量子計(jì)算器雖然算是先進(jìn)，但距離實(shí)用目標(biāo)還有至少九個(gè)數(shù)量級(jí)之遙;現(xiàn)在就宣稱勝利，純屬忽悠大眾的商業(yè)宣傳。【責(zé)任編輯/古飛燕】
來源：觀察者網(wǎng)
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