封装过程中的梧桐芯片被焊到PCB（印刷电路板）上。（图片来源：谷歌人工智能量子）
谷歌的科学家称他们已经实现了量子霸权，这是在量子计算领域期待已久的一块里程碑。官宣发表在《自然》杂志上，而在这之前的五周就已经有论文初稿泄露出来了，谷歌当时并没有做任何评价。
作为举世第一例，由加州大学实验物理学家John Martinis、Santa Barbara和加州山景城的谷歌带领的队伍称，其量子计算机实现了一种完全超出常规、“经典”机器能力的计算。谷歌估计，同样的计算需要最好的经典超级电脑花费10000年才能完成。
量子霸权一直以来就被视作一个里程碑，因为它证明了量子计算机比经典计算机的性能更强，Martinis说。虽然目前为止只有一个特例证明了其优势，但它向物理学家证明了在一个复杂问题的应用中，量子力学的表现与预期一致。
“看起来谷歌给了我们首个量子加速在真实世界中是可行的实验证明，” 澳大利亚悉尼新南威尔士大学的量子物理学家Michelle Simmons说。
Martinis把这个实验比作“你好世界”程序，这个程序指示新系统显示这个短语以进行测试；它本身并没有什么用，但它告诉谷歌量子硬件和软件能正常工作，他说。这壮举首次在九月于《金融时报》和其它媒体上发表，而之前这篇论文的泄露版本在短暂地出现在NASA的官网后又很快被撤下了，当时NASA正和谷歌合作量子计算的项目。当时，谷歌公司并没有承认写过这篇论文，也没对各种猜测做任何评价。
虽然谷歌选择的计算方法——检查量子随机数生成器的输出——缺少实际应用性，“如果该理论成立，那它的科学成就将大到不可忽视，我猜它会的，” 德克萨斯大学奥斯汀分校理论计算机科学家Scott Aaronson说。
谷歌以外的研究人员正尝试优化先前用来解决这一问题的传统算法，希望能降低10000年的肯定估计。在建造世界最好量子计算机的竞争中，谷歌的对手IBM于10月21日报告称同样的问题换一种经典算法只需2.5天就能解决。这篇论文还没经过同业互查。如果IBM是正确的，那将削弱谷歌试图证明量子“优势”（在经典计算机能力范围内的问题中，计算速度大大超过经典计算机）的举动。这仍然会是个里程碑式的突破，Simmons说。“据我所知，这是世界上的首次演示，所以其结果肯定很重要。”
快速解决方案
量子计算机的计算方法和经典机器的计算方法从根本上就不同：经典比特不是1就是0，但量子比特，或量子位，能同时存在于不同的状态。当量子位不可避免地相连时，从理论上来说，物理学家就能利用它们之间的类波量子态来计算其他计算机需要计算几百万年的问题。
物理学家认为有一天量子计算机能运行革命性的算法，用于比如说，搜索杂乱的数据库，或分解大数——包括用于加密的大质数。但要实现这些应用恐怕还要几十年呢。越多的量子位相连，它们脆弱的状态在工作状态下就越难以维持。谷歌的算法在一个54量子位的芯片上运行，每个量子位都由超导回路构成。但这只是建造普适计算机所需一百万量子位中的一小部分。
谷歌为其量子计算机所布置的任务“有点奇怪”，马里兰大学的物理学家Christopher Monroe说。谷歌的物理学家首次在2016年开始设计这个问题，这个问题对于普通计算机设计来说非常难解决。该团队挑战他们的计算机Sycamore去描述一个量子随机数生成器输出的不同可能。他们用了一系列随机操作，运行一个经过53个量子位的电路来实现这一点。这生成了53位包含1和0的字符串——一共有253种的组合可能（只用了53个量子位是因为Sycamore其中的一个54量子位坏了）。这个过程非常复杂以至于无法用基本原则计算，所以基本上可被认为是随机的。但是由于量子位之间的干涉，有一些字符串出现的可能性更高。这和不理想硬币相似——它仍产生随机数，即使部分结果的可能性更高。
Sycamore通过抽样电路数据计算了可能性分布——运行一百万次并测量观察到的输出字符串。这个方法和通过扔硬币来看出它的偏向性相似。从某种程度上说，Monroe说，这台机器在做一些科学家日常做的事：用实验找到无法用经典方法计算的量子问题的答案。主要的区别，他说，是谷歌的电脑用途并不单一，它是可编程的，并可以用于任何设定的量子电路。
证明解决方法的正确性是下一步的挑战。要做到这点，该团队把实验结果和更小更简单电路的经典电脑模拟结果相比，所用电脑包括田纳西的橡树岭国家实验室的Summit超级计算机。从这些样本中，谷歌团队推断要模拟所有的电路会花费经典计算机10000年时间，哪怕是用包含一百万处理单位的计算机（相当于100000台台式电脑）也是一样。Sycamore用了3分20秒。
谷歌认为他们量子霸权的证据无懈可击。即使外部研究人员实现了减少做经典模拟的时间，量子硬件也还在进步——也就是说在这个问题上，传统计算机永远都不太可能赶上来，谷歌量子计算机团队的执行官Hartmut Neven说。
有限的应用
Monroe说谷歌的成就也许吸引更多的计算机科学家和工程师到量子计算领域来，从而使该领域获益。但他还警告道，新闻可能会夸大量子计算机的主流实际应用。“流传的说法是‘它们终于打败了常规计算机：所以两年左右家家户户都会有一台量子计算机’，”他说。
事实上，Monroe补充道，科学家还不能够证明可编程的量子计算机能解决其他方法不能解决的有用任务，比如说计算某个分子的电子结构——一个需要给多重量子相互作用建模的复杂问题。另外重要的一步，Aeronson说，就是要演示一个用了误差校正（一种矫正噪音带来误差的方法，如果误差未被矫正，计算将基本不准）算法中的量子霸权。物理学家认为这对实现能够在一定尺度上运作的量子计算机很重要。
谷歌正向这两个里程碑进发，Martinis说，并会在接下来的几个月内揭晓结果。
Aaronson说谷歌设计用于演示量子霸权的实验可能会有实际的应用：他已经造了一台用这种计算方法的原型机，向用户证明量子随机数生成器生成的比特确实是随机的。这对安全性依赖于随机密匙的加密方法和一些加密货币将会很有用。
谷歌的工程师必须升级一系列的硬件来运行这个算法，包括建造新的电子设备来控制量子电路，以及设计一种连接量子位的新方法，Martinis说。“这真的是我们在未来扩大规模方法的基础。我们认为这种基础架构是进步的方法，”他说。
作者：Elizabeth Gibney
翻译：费哲妮
审校：潘燕婷
引进来源：科学美国人
本文来自：环球科学
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