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发帖数: 55 | 1 王孟源 哈佛大学物理学博士
上个月，NASA大意提前泄露了Google的量子霸权论文，因为违反了Google公关部门的计
划，所以很快就撤下。其后，Google遵循典型的商业炒作方案，始终三缄其口，一直到
2019年10月23日，论文正式在《Nature》发表，伴随著各式各样的公关吹嘘，铺天诮a
而来。
有趣的是，与其同时，IBM在官方博客公然唱反调，发表了一篇自己的论文稿，宣称已
经证明Google并没有达到量子霸权。那麽到底谁是谁非呢？
首先，我们先回顾一下什麽是“量子霸权”；它指的是量子计算器在某个有实用
价值的程序上能比现有的古典计算机高效钗h。请注意，一般人往往忘记这个定义中要
求有实用价值的那部分，所以我一开始就疑心Google团队钻的是这个漏洞，而且已经写
过一篇文章来推测其中的奥秘（参见前文《Google的量子霸权是怎麽回事？》）
。现在因为有了更详细的消息，我可以更精确地解释Google的这篇论文，希望让理工科
出身的读者都能理解。
下面是Google所用的Sycamore（梧桐；名字纯属巧合，不要乱做联想）量子处理器的示
意图；其中灰色的叉叉是个别量子位，蓝色的长方块是耦合器，共有88个，它们负责将
两个相邻的位转化为纠缠态。原本应该有54个量子位，但是其中一个失效无法修复（白
色叉叉），所以整个实验只能用上53个位；有效的耦合器也因而减少了两个，剩下86个。
Google所做的程序是先从86个耦合器和53个位中随机选出部分，被选中的会被开启而发
生作用，叫做闸门（Gate）。位的闸门（Single-Qubit Gate）作用是产生对应著随机
古典结果的量子态；耦合器的闸门（Two-Qubit Gate）作用则是将相邻的位纠缠起来。
这些作用合起来，形成一个循环（Cycle）；全部总共有20多个循环被事先随机确定，
它们一起组成一个线路（Circuit）。Google在实验中所用的最复杂线路，包含了1113
个单位元闸门和430个双位闸门。
接下去是重复以下的这个程序圈子（Loop）∶首先把所有的位清零；接著让事先选定的
固定线路发生作用，制造出新的量子态；然后全部位进行塌缩，以便形成古典的0或1读
出。所以结果是一个看似随机的53位序列，但是内含量子纠缠，所以位之间并非真正的
统计独立，而是有由量子纠缠来决定的复杂相关性（Correlation）。
经过小规模的试用之后，最终Google团队用全部53个量子位跑这个程序圈子3千万次，
这一共费时200秒。Google估计最新的古典超级计算机也要耗时10000年，所以可以自夸
“量子霸权”。
IBM出来泼冷水的研究，是采用了更高效的古典超级计算机设置，结果只用了两天半，
大约比Google团队的估计快了八个数量级，所以并非没有意义的。
然而这个古典程序的运行时间（Runtime），可以在数学上证明是与2^n成正比，这里n
是量子位的数目，亦即Google实验中的53。所以即使在n=53的条件下古典计算机还可以
一搏，到n=90左右的时候，也会重现量子霸权。这大概也就是三四年的研发时间。
IBM的算法（Algorithm）仍然是以蛮力（Brute Force）为主，如果未来发明了更巧妙
的算法，可能会让古典程序又再增速几个数量级，不过这顶多是把门坎□高到n=200。
换句话说，最多最多也就是延迟Google的量子霸权十年左右罢了。
那麽我们的结论是量子霸权在2030年之前必然会发生吗？不是的，Google这篇论
文的真正问题，不在这些细节上，而在于整体设计，也就是我在本文开头所提的，程序
的实用价值。
要比较两个不同工程方案的优劣，一个很重要的隐性前提是要达成同样的、有实用价值
的目标。Google的公关文稿，把他们的这个“成就”和100多年前莱特兄弟（Wright
Brothers）的首次飞行相比，就是故意混肴视听∶莱特兄弟（Wright Brothers）的飞
机是围绕著一个历史长久、公认有价值的目标（亦即动力飞行）而设计制造的成品；
Google的Sycamore却执行了一个一点用处都没有的程序。
真正类似的，是建造出一个复杂而没有实用性的机器，然后说它在产生独特的噪音上，
有无可比拟的效率。换句话说，他们是先射箭、再画靶，Sycamore自己随便动一动，然
后叫古典计算机来做仿真；如果这样也算量子霸权，那麽随便找一个有53个原子
的系统，要求古典计算机来仿真它历时200秒的演变，同样也会需要万年以上。
事实上，Google的这个结果，比毫无实用价值还要糟糕。要理解这一点，我们先回顾一
下当前量子计算界的处境。现在的世界纪录是大约100个量子位（DWave的量子计算器是
假的）；但是这些位很不稳定，非常容易与周围的巨观环境起作用而丧失量子态，这是
我以前详细讨论过的量子退相干过程（Quantum Decoherence）。要知道计算的输出（
Output）是程序逻辑的结果，而不是量子噪音的后果，就必须有纠错机制。
目前人类所知的量子纠错机制，必须用上80-10000个原始的量子位，才能产生1个稳定
可靠的位（叫做逻辑位，Logical Bit）。世界纪录是连1个逻辑位都没有的。
Google的这个“突破”，第一个巧妙之处在于用的是内生的（Endogenous）随机量子态
，而不是事先指定的（亦即Exogenous，外源性的）串行。虽然Google团队可以试图去
影响这些原始量子位之间的纠缠，实际上是否成央A并不能绝对精确地验证。换句话说
，他们根本没有解决纠错的基本难关，而只估计出Sycamore保持量子态的半衰期大约是
10微秒，那麽因为每一轮程序圈子费时不到7微秒（=200秒/30000000轮），大部
分时候量子退相干还没有发生。然后又再巧妙地只考虑统计结果，那麽少部分的
噪音就可以遮诮矰F。
这里最基本的毛病，在于Google的量子计算器并无法自行保证结果是正确的，事实上我
们知道它不可能是绝对正确的，顶多只能是近似正确。相对的，古典计算机给出的结果
却是绝对精确可靠的。这时硬要比较两者所费的时间，显然不是公平的。 | n******o
发帖数: 1 | | t******x
发帖数: 55 | 3 索南看懂了吗？
关键是这句话∶
他们是先射箭、再画靶，Sycamore自己随便动一动，然后叫古典计算机来做仿真；如果
这样也算量子霸权，那麽随便找一个有53个原子的系统，要求古典计算机来仿真
它历时200秒的演变，同样也会需要万年以上。 | x****6
发帖数: 4339 | 4 这个搞金融的尼玛什么都懂
【在 t******x 的大作中提到】
: 索南看懂了吗？
: 关键是这句话∶
: 他们是先射箭、再画靶，Sycamore自己随便动一动，然后叫古典计算机来做仿真；如果
: 这样也算量子霸权，那麽随便找一个有53个原子的系统，要求古典计算机来仿真
: 它历时200秒的演变，同样也会需要万年以上。
| n********g
发帖数: 6504 | 5 所以人家能混啊。小王和俺就是俩大卢瑟。就是跟着小Andrew，俺现在也吃香喝辣夜夜
新浪了。
【在 t******x 的大作中提到】
: 索南看懂了吗？
: 关键是这句话∶
: 他们是先射箭、再画靶，Sycamore自己随便动一动，然后叫古典计算机来做仿真；如果
: 这样也算量子霸权，那麽随便找一个有53个原子的系统，要求古典计算机来仿真
: 它历时200秒的演变，同样也会需要万年以上。
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