導讀

據美國加州大學聖塔芭芭拉分校官網近日報道，該校與谷歌公司的研究人員實現了“量子霸權”。他們的“西克莫”量子計算機，採用53個糾纏的量子位，處理並解決了一個被認為是經典計算機難以解決的問題。

背景

量子計算機具有超越經典計算機的計算能力，可以完成經典計算機無法完成的任務。量子計算機相對經典計算機的這種壓倒性優勢，也稱為“量子霸權（quantum supremacy）”。

（圖片來源：Tony Melov/UNSW）

在經典計算機中，表示資訊採用的是“位元位（0或1）”；在量子計算機中，表示資訊採用是“量子位”。

IBM 四個超導量子位裝置的佈局圖（圖片來源：IBM研究院）

不同於位元位，量子位通過量子物理中兩個“幽靈般”的原理：“糾纏”與“疊加”，產生出令人驚訝的計算處理能力。簡單說，量子位是一個雙態量子系統（例如光子偏振態或者電子自旋態），它能處於一種用經典物理無法解釋的奇妙狀態：“0與1的疊加”。

經典計算機中的兩個位元位，在某一時刻，僅能儲存4個二進位制數：00、01、10、11中的一個。量子計算機中的兩個量子位，可同時儲存這四個數，因為每一個量子位可同時表示兩個值。也就是說，如果我們要用量子計算機讀出這四個數，只需要讀一次；經典計算機則需要順序執行4次。量子位繼續增加時，系統儲存的資訊量就會呈指數方式增加。

創新

近日，美國加州大學聖塔芭芭拉分校以及谷歌公司的科學家約翰·馬丁尼斯（John Martinis）的研究團隊宣稱，他們實現了“量子霸權”。他們的“西克莫（Sycamore）”量子計算機，採用53個糾纏的量子位（qubits），處理並解決了一個被認為是經典計算機難以解決的問題。

研究團隊（圖片來源：Matt Perko, 加州大學聖塔芭芭拉分校）

馬丁尼斯團隊的研究生研究員布魯克斯·福克森（Brooks Foxen）表示：“經典的超級計算機需要1萬年才能完成的計算，我們的量子計算機只需200秒就可以完成。目前，經典的模擬時間很可能需要1萬年，通過改良的經典硬體和演算法，這個時間將會被縮短。但是，現在我們的速度變快了1.5萬億倍，所以我們自信地宣告這一成就。”

這一創舉在《自然（Nature）》期刊上的一篇論文中得到了描述。

技術

馬丁尼斯及其團隊的這個里程碑式的創舉，是在約二十年的量子計算研究之後產生的。他們研究從開發單個超導量子位到囊括72個量子位的系統，對於“西克莫”來說是54個量子位（其中一個量子位無法有效工作），它們利用了量子力學令人驚歎且異乎尋常的特性。

“西克莫”量子處理器（圖片來源：參考資料【1】）

馬丁尼斯團隊的另一名研究生研究員本·奇里奧（Ben Chiaro）表示：“選擇這個演算法是為了利用裝置的自然動力學來強調量子計算機的優勢。”也就是說，研究人員想要測試計算機儲存與快速操控結構凌亂的大量複雜資料的能力。

福克森表示：“我們基本上想要儘快地製造出一個涉及我們所有的量子位的糾纏狀態。所以，我們選定了一系列操作，製造出一個複雜的疊加態，這個疊加態經過測量後返回一個“位元串”，這個概率取決於準備特殊疊加態的特定操作序列。這麼做是為了驗證操作序列（用於準備這個疊加態）對應的電路輸出，它在幾分鐘之內對於量子電路取樣百萬次，在系統失去其量子相干性之前，探索了所有的可能性。”

奇里奧解釋道：“我們展開了一系列固定的操作，將53個量子位糾纏成一個複雜的疊加態。這個疊加態對概率分佈進行編碼。對於量子計算機來說，準備這種疊加態是通過約幾微秒之內將幾十個控制脈衝組成的序列施加到每個量子位上來實現的。我們可以準備，然後通過200秒內測量量子位達百萬次，對這個分佈進行取樣。”

福克森表示：“對於經典計算機來說，計算這些操作的結果要難得多，因為它需要計算成為2^53個可能狀態中的任意一個狀態的可能性，其中53是量子位的數量，這個指數級的縮放比例正是人們一開始對量子計算感興趣的原因。這種計算可以通過矩陣乘法完成，但是隨著矩陣變大，這種方法對於經典計算機來說開銷很大。”

根據這篇新論文的描述，研究人員們採用了所謂的“交叉熵基準化分析法（cross-entropy benchmarking）”，將量子電路的輸出（一個“位元串”）與經典計算機模擬計算出的“相應的理想概率”進行比較，以確保量子計算機正確工作。

奇里奧表示：“在開發真正有益的處理器的過程中，我們做了許多設計選擇。”他說，處理器的優勢包括通過實驗方式調整單個量子位的引數以及它們之間的相互作用的能力。

當這個實驗被選為計算機的概念驗證時，這項研究產生了一個非常真實且有價值的工具：合格的隨機數發生器。隨機數在很多領域都有用，可以保證金鑰不被破解，或者來自較大總體中的樣本真正具有代表性，從而為複雜問題找到最佳解決方案，以及實現更加“健壯”的機器學習應用。量子電路產生隨機“位元串”的速度非常快，因此黑客沒有時間去分析和“欺騙”系統。

美國加州大學聖塔芭芭拉分校的研究副校長喬·因坎德拉（Joe Incandela）評論道：“量子力學狀態所做的事情已經超越了我們的日常經驗，所以有望提供其他方法無法實現的能力與應用。團隊已經能可靠地創造並反覆地取樣涉及53個糾纏元素的複雜量子狀態，從而執行經典超級計算機需要花費上千年才能執行的操作。這是一個重大的成就。我們正處在一個獲取知識的新時代的起始點。”

未來

取得了像“量子霸權”這樣的成就，我們很容易認為加州大學聖塔芭芭拉分校以及谷歌公司的研究人員會躺在功勞簿上睡大覺。但對於福克森、奇里奧、馬丁尼斯以及加州大學聖塔芭芭拉分校以及谷歌人工智慧量子團隊的其他人來說，這僅僅是開始。

福克森表示：“這是一種持續改進的心態，我們總有專案在做。”近期來說，對於這些“嘈雜的”量子位的持續改善，將實現量子力學中有趣現象（例如熱化）或者材料與化學領域中巨大可能性的模擬。

然而，長期來說，科學家們一直在致力於改善相干時間，或者從另一方面說，檢測和修復錯誤。這些錯誤讓檢查一個量子位，變成需要檢查許多額外的量子位。這些工作都在同步開展，以設計和構造量子計算機本身，並確保研究人員在下一個里程碑之前取得許多成果。

關鍵字

量子計算機、量子位、機器學習

參考資料

【1】Frank Arute, Kunal Arya, Ryan Babbush, Dave Bacon, Joseph C. Bardin, Rami Barends, Rupak Biswas, Sergio Boixo, Fernando G. S. L. Brandao, David A. Buell, Brian Burkett, Yu Chen, Zijun Chen, Ben Chiaro, Roberto Collins, William Courtney, Andrew Dunsworth, Edward Farhi, Brooks Foxen, Austin Fowler, Craig Gidney, Marissa Giustina, Rob Graff, Keith Guerin, Steve Habegger, Matthew P. Harrigan, Michael J. Hartmann, Alan Ho, Markus Hoffmann, Trent Huang, Travis S. Humble, Sergei V. Isakov, Evan Jeffrey, Zhang Jiang, Dvir Kafri, Kostyantyn Kechedzhi, Julian Kelly, Paul V. Klimov, Sergey Knysh, Alexander Korotkov, Fedor Kostritsa, David Landhuis, Mike Lindmark, Erik Lucero, Dmitry Lyakh, Salvatore Mandrà, Jarrod R. McClean, Matthew McEwen, Anthony Megrant, Xiao Mi, Kristel Michielsen, Masoud Mohseni, Josh Mutus, Ofer Naaman, Matthew Neeley, Charles Neill, Murphy Yuezhen Niu, Eric Ostby, Andre Petukhov, John C. Platt, Chris Quintana, Eleanor G. Rieffel, Pedram Roushan, Nicholas C. Rubin, Daniel Sank, Kevin J. Satzinger, Vadim Smelyanskiy, Kevin J. Sung, Matthew D. Trevithick, Amit Vainsencher, Benjamin Villalonga, Theodore White, Z. Jamie Yao, Ping Yeh, Adam Zalcman, Hartmut Neven, John M. Martinis. Quantum supremacy using a programmable superconducting processor. Nature, 2019; 574 (7779): 505 DOI: 10.1038/s41586-019-1666-5

【2】https://www.news.ucsb.edu/2019/019682/achieving-quantum-supremacy