量子計算又雙叒叕有大新聞啦！2023年7月，來自Google的量子計算團隊在arXiv預印本庫刊登了最新的研究成果——該公司的量子計算機「懸鈴木」（Sycamore）經過迭代升級，已經具備了超出了現今所有的經典超級計算機的能力，從而「再次」驗證了「量子優越性」。
Part.1
「量子優越性」——量子時代即將到來的曙光
或許在很多人的印象中，世界上運行速度最快的計算設備是超級計算機，比如我們熟知的「神威•太湖之光」「天河二號」等。而就在2023年5月，最新一期的超級計算機TOP500也顯示，美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的Frontier超級計算機以1.194 Eflop/s（百億億次）的性能贏得了世界速度最快的排名。
但是，量子物理領域的科學家和工程師們正在借用量子技術來顛覆這一歷史。
橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的Frontier經典超級計算機
（圖片來源：Carlos Jones/ORNL, U.S. Dept. of Energy）
實際上，無論是超級計算機還是商用的膝上型電腦，它們都屬於經典計算機。相比於經典計算機，量子計算機從理論上講具有更大的優勢。
經典計算機使用比特（bit）作為基本運算單元，它只能以確定性的方式表示0或1，用於進行資料的二進位制運算。相比之下，量子計算機採用了全新的計算方式，其基本運算單元是量子比特（qubit）。量子比特具有疊加的特性，可以同時表示0和1的疊加態，也就是說，量子比特可以以一定的概率同時處於0態和1態。
正是由於量子比特的這種奇特性質，量子計算機能夠以0/1疊加態進行並行運算，從而在理論上具備遠超經典計算機的指數級的強大計算能力。
量子計算與經典計算
（圖片來源：veer相簿）
但在Google此次發佈新成果之前，量子計算機的優勢只存在於理論之中。
雖然早在1981年，物理學家理查德·費曼（Richard Feynman）就提出了量子計算機的概念，但時至今日，全世界的量子物理學家和工程師已經花費了無數時間和精力，仍然未能建造出能夠通用化的量子計算機。
在2012年，量子理論物理學家約翰·普雷斯基爾（John Preskill）提出「量子優越性(Quantum Supremacy)」的概念，即：量子計算機需要在特定的問題求解上，表現出超越經典計算機的能力，從而解決連超級計算機都無法在短時間內解決的計算任務。
理查德·費曼（Richard Feynman）（左圖）；約翰·普雷斯基爾（John Preskill）（右圖）
（圖片來源：Wikipedia）
也就是說，量子計算機雖然在理論上具有遠超經典計算機的運算能力，但是需要在現實世界中向世人來演示這種運算潛力。
儘管量子計算機的發展仍然處於起步階段，也有可能對某個特定的問題求解並沒有太多的實用價值，但只要量子計算機可以展現出自身的「量子優越性」，那麼就有足夠的理由相信，屬於量子計算的時代即將到來。
Part.2
量子計算VS經典計算：量子計算機的「虛晃一槍」
實現「量子優越性」的概念，被認為是量子計算機發展歷史上的一個重要里程碑。而這種「特定的問題求解」通常需要滿足以下兩個條件：
其一，該問題適合採用量子計算機進行運算處理，從而發揮出量子計算的潛力；
其二，該問題的運算對於經典計算機而言，需要足夠複雜，但同時仍然能夠用經典計算機驗證運算結果的正確性。
這種「特定的問題求解」通常包括：「量子隨機線路取樣（Random Circuit Sampling）」、「量子隨機漫步（Quantum Random Walk）」和玻色取樣（Boson Sampling）等。
量子計算機只要在這種特定的問題求解上，消耗的計算資源或者運算時間遠小於最先進的經典超級計算機，就可以充分展示自身的「量子優越性」。
53 個量子比特的量子計算機「懸鈴木」（Sycamore）
（圖片來源：參考文獻[1]）
為了實現「量子優越性」，早在2019年10月，Google的量子計算團隊就針對「量子隨機線路取樣」的運算任務，率先在該公司研發的53個量子比特的量子計算機「懸鈴木」（Sycamore）上進行20次循環運算，共計100萬次取樣，所需運算時長只有200秒，最終運算結果的保真度為0.224%。而如果採用當年運算速度最快的經典超級計算機Summit來計算得到同樣的結果，則需耗費約1萬年。
因此，Google的量子計算團隊宣稱率先實現了「量子優越性」。值得一提的是，量子計算機「懸鈴木」（Sycamore）的量子門精度已經達到很高的水準，其中單量子比特門和雙量子比特門的精度分別達到了99.84%和99.38%，探測精度也達到了96.2%。（關於量子比特門，將在下文進行解釋）
時任Google公司CEO的桑達爾·皮查伊（Sundar Pichai）也激動地表示：儘管量子計算機只是在某個特定的問題求解上展現出超過經典計算機的能力，但是這就像萊特兄弟首次成功試飛的飛機一樣，在量子計算的發展歷史上具有里程碑式的意義。
然而，很快就有眾多的科研團體和研究機構質疑Google公司的研究成果。Google公司宣稱的「量子優越性」，成了量子計算機的「虛晃一槍」。
Part.3
經典計算的反擊：我甚至比你算得更快！
其實，「量子隨機線路取樣」的運算任務並沒有那麼神秘。簡單來說，該問題就是從一個量子門的集合中隨機挑選單量子比特門作用到量子比特上，而在每個單量子比特門之間又會夾雜一層雙量子比特門。
這裡所說的量子比特門是用於在量子比特上執行特定的運算操作，這就類似於經典計算中的邏輯閘，它們可以改變數子比特的狀態，並允許我們對量子資訊進行操控和處理。
其中，常見的量子比特門包括單量子比特門和雙量子比特門。單量子比特門用於操作單個量子比特，例如改變其狀態。而雙量子比特門則用於操作兩個量子比特，例如實現量子比特之間的相互作用和糾纏。通過組合不同的量子比特門操作，可以構建更復雜的量子電路，用於執行特定的量子計算任務。
「量子隨機線路取樣」的運算任務就像我們小時候常吃的夾心餅乾一樣，單/雙量子比特門層層堆疊，從而在多次重複運算後測量最終的量子比特的狀態（也就是完成了一次取樣）。
隨機量子線路取樣示意圖
（圖片來源：參考文獻[1]）
而Google團隊選擇該運算任務的初衷也比較簡單：其一，眾多的理論學者已經證明「量子隨機線路取樣」的運算任務在經典計算機上相當困難；其二，該運算任務十分適用於他們開發的量子計算機「懸鈴木」（Sycamore）。
但是，IBM公司質疑了Google團隊的這一成果。這是因為，如果採用更加高效的資料儲存和最佳化運算，就可以大大壓縮採用經典超級計算機Summit完成「量子隨機線路取樣」任務的時間，僅僅需要2.5天！
除此之外，中國科學院理論物理研究所的張潘團隊也質疑了這一成果。他們提出了一種新的模擬方法，極大地降低了運算複雜度，並且僅僅採用了512塊Tesla V100 32GB視訊記憶體GPU，就可以在15個小時內完成該問題的求解。而如果採用更為強大的經典超級計算機，甚至可以將所需的運算時間縮短至幾十秒。
中國科學院理論物理研究所的張潘團隊的最佳化演算法
（參考文獻[2]）
也就是說，經典超級計算機在經過硬體升級和演算法最佳化後，所需的運算時間甚至可以短於量子計算機「懸鈴木」（Sycamore）。這意味著，經典計算的反擊卓有成效，並且在運算時間這一指標上推翻了之前Google宣稱的「量子優越性」。
Part.4
量子計算的再進化：是時候展現真正的力量了
其實，「量子優越性」本身就是新生的量子計算和成熟的經典計算之間的競爭，這是一種良性的競爭。
一方面，隨著量子計算機量子比特數目的不斷增加，以及自身運算錯誤率的不斷降低，量子計算機終將在某些特定的運算任務上展現出巨大的潛力；另一方面，量子計算機的發展也進一步促進人們對於經典計算的最佳化和資源整合，從而不斷提高經典計算機的演算法效率和工程規模。
這次，Google的量子計算團隊重整旗鼓，將原本只有53個量子比特的「懸鈴木」（Sycamore）量子計算機，進一步升級為具有70個量子比特的第二代量子計算機。這次，他們帶著再進化的升級版量子計算機向經典計算機發起了新一輪的挑戰。
「隨機電路取樣」中的相變問題的運算結果
（圖片來源：參考文獻[3]）
這次Google團隊選擇的是「隨機電路取樣」中的相變問題（可以簡單理解為是2019年「量子隨機線路取樣」任務的升級版），他們發表的論文宣稱，採用新一代的量子計算機可以瞬時完成運算任務，而如果使用最新的排名第一的超級計算機Frontier則需要47.2年。
Google推出的新款量子計算機的運算速度測試結果
（圖片來源：參考文獻[3]）
也就是說，量子計算機「又一次」驗證了「量子優越性」，而且Google團隊也堅信此次不會再次「翻車」。
Part.5
百舸爭流——不曾缺席的中國力量
在文章的開頭，我們就知道驗證「量子優越性」的方法不僅僅包括「量子隨機線路取樣」任務，還有「量子隨機漫步」和「玻色取樣」等任務。其中Google團隊選擇的是「量子隨機線路取樣」，而「玻色取樣」這一任務也被物理學家們寄予厚望。
「玻色取樣」任務最早由量子物理學家斯科特·阿倫森（Scott Aaronson）和亞歷克斯·阿爾希波夫（Alex Arkhipov）在2010年提出，這種運算任務特別適用於光量子計算機的運算求解。
「加爾頓板」實驗你聽說過嗎？它是指在圖中所示孔洞中同時放入多個小球或者分別多次放入單個小球，最終落到中間的小球總是較多，而落入兩側的小球總是較少。
「加爾頓板」實驗的示意圖
（圖片來源：Wikipedia）
「玻色取樣」任務就是一種量子世界中的「加爾頓板」實驗——小球變成了光子，最終每個出口都可以探測到特定的光子數目分佈，從而完成全部可能的取樣結果。
「玻色取樣」任務雖然看似簡單，但隨著光子數目的增加，所需的計算資源和運算時間會成指數增加，從而極大地增加了經典超級計算機運算的難度。
而就在2021年10月，來自中國科學技術大學的量子團隊成功研發出的新一代量子計算機「九章二號」，就選擇了「玻色取樣」任務來驗證了「量子優越性」。
「九章二號」量子計算原型機
（圖片來源：中國科學院官網）
據悉，「九章二號」量子計算機具有高達113個光量子比特，在「玻色取樣」任務的運算速度上比當時最快的超級計算機快接近10^24倍，同時，這一演算法任務的實現也在機器學習和計算機圖形學等領域有巨大的潛在價值。
這個成果不僅僅打破了國際上光量子計算機的性能紀錄，還在驗證「量子優越性」這一前沿課題上展現了屬於中國的科研力量。在量子計算的漫漫征途中，中國力量一直不曾缺席。
Part.6
驗證「量子優越性」——萬里長征的第一步
雖然Google量子計算團隊研發的第二代量子計算機性能不斷升級，並且在特定問題的求解方面展現出遠超現今最強的經典超級計算機的能力。但是，這並不意味著量子計算機已經可以取代現有的經典計算機。
從理性的角度來看，「量子優越性」的概念本身就存在比較大的爭議性：這是因為Google團隊用來演示「量子優越性」的問題並沒有太大的實際應用價值，它僅僅展現出了量子計算獨有的運算潛能。並且隨著經典計算在硬體升級和演算法最佳化方面的不斷進步，量子計算也將會面臨來自經典計算的一次次反擊。
也就是說，在真實構建出通用化的量子計算機之前，這場有關量子計算和經典計算之間的巔峰對決還將持續比較長的一段時間。因此，驗證「量子優越性」僅僅只是量子計算發展道路上的第一步，而非是最終的勝利。
根據量子計算機的發展趨勢，目前量子計算機的發展可以大致分為三個階段：
第一階段：能夠對大約50個量子比特進行有效操縱，並且在實驗上可以在特定問題的求解上展現出「量子優越性」，這一階段目前已經實現；
第二階段：由於量子計算機在運算過程中極易受到外界的干擾，因此需要大量冗餘的量子比特來實現運算中的量子糾錯，人們預計需要對幾百個量子比特進行有效操縱，從而實現量子糾錯的關鍵技術，並且進一步探索量子計算的實際應用場景；
第三階段：需要對大約10萬—100萬量級的量子比特進行有效操縱，從而構建可程式設計的通用量子計算機，並且最終實現加密金鑰破解以及最佳最佳化搜尋等。
量子計算的三個發展階段
（圖片來源：騰訊量子實驗室）
Part.7
結語
目前看來，量子計算和經典計算各有千秋，都存在自身的不足之處。一方面，量子計算只能在特定的問題求解上展現其自身優勢，並不能取代經典計算，來解決實際問題；另一方面，經典超級計算機的運算求解也需要耗費大量的計算資源和能量，並且受制於「摩爾定律」，難以進一步提升運算性能。
因此，實現「量子優越性」不應該是一個具體的時間節點，而是新生的量子計算與不斷升級的經典計算之間相互競爭的時間段。隨著量子技術的不斷進步，我們也將會邁入量子計算的第二階段，並且朝著最終實現通用量子計算機的第三階段不斷前進。
參考文獻:
1. Arute, F., Arya, K., Babbush, R. et al. Quantum supremacy using a programmable superconducting processor. Nature 574, 505–510 (2019).
2. Feng Pan, Pan Zhang. Simulating the Sycamore quantum supremacy circuits.
3. Google Quantum AI and Collaborators. Phase transition in Random Circuit Sampling.
