谷歌宣称首次实现量子优越性，IBM“不服”，中国同行咋看？

2019年8月23日，谷歌在一连重金投入量子计较13年后，乐成摘取量子计较规模的一个重要里程碑：尝试证明“量子良好性”，在特定使命上，量子计较机可以大大逾越经典计较机的计较手段了。固然，费曼在38年前就提出了量子并行计较的观念，可是，这个第一次真正确信无疑地演示这种超等计较手段，耗费了全天下科学家们几十年的全力。有国际专家把这个成就比喻为莱特兄弟的首飞，固然其时的航行器很是简略，航行只一连了12秒，完全没有适用代价，可是这预示了一个新技能期间即将到来的曙光。

应该指出的是，谷歌的阶段性尝试毫不是终点，而是一个出发点。本年9月份在合肥举行的新兴量子技能国际大会的白皮书指出，量子计较研究可以沿如下蹊径开展：“第一个阶段是实现量子良好性，即针对特定题目的计较手段逾越经典超等计较机，这一阶段性方针将在近期实现；第二个阶段是实现具有应用代价的专用量子模仿体系；第三个阶段是实现可编程的通用量子计较机，还必要全天放学术界的恒久费力全力。”

——中国科学技能大学 潘建伟

10月23日，势力巨子杂志Nature刊出了谷歌量子AI团队的的最新科研事变“Quantum supremacy using a programmable superconducting processor”。至此，谷歌宣称的“量子良好性”终于“坦然发布于众”。究竟上，谷歌的论文在9月就曾被NASA披露，虽不久后被暗暗删除，但该论文已经在业内传播开，而且引起了轩然大波。

论文报道了谷歌团队基于一个包括53个可用量子比特的可编程超导量子处理赏罚器，运行随机量子线路举办采样，耗时约200秒可举办100万次采样，而且预计假如行使今朝强盛的超算Summit来计较获得同样的功效，需淹灭约 1 万年。据此，谷歌宣称实现了“量子良好性”。

一、什么是“量子良好性”？

连年来，因为超导量子计较技能的快速成长，量子计较逐渐成长到50个阁下量子比特局限。尽量云云，思量到量子纠错必要淹灭的资源，真正具备适用化的通用量子计较机至少必要10万-100万量级的量子物理比特。因此，量子计较机的研制是一个极具挑衅而且周期也许较长的事变。

为了敦促量子计较机的研制，我们必需把其分成一个个的小方针，依据小方针的指引，不绝打破。第一个小方针就是“量子良好性”(Quantum Supremacy)，指的是量子计较机在某个特定题目上的计较手段远高出机能最好的超算，证明量子计较机的良好性。因此，“量子良好性”被以为是量子计较成长阶梯上的一个重要里程碑。

适才提到的“某个特定题目”，即颠末全心计划，很是得当于量子计较装备施展其计较潜力的题目。这类题目包罗随机量子线路采样（Random Circuit Sampling）[1]、IQP线路（Instantaneous Quantum Polynomial）[2]、玻色采样（Boson Sampling）[3]，而谷歌量子AI团队所针对的题目是随机量子线路采样。

所谓随机量子线路，简朴说就是随机从一个量子门的荟萃中挑选单比特量子门，浸染到量子比特上，每浸染一层单比特量子门，就会接着做一层两比特量子门，多次一再这样的操纵后，丈量最终的量子态，即完成一次采样。谷歌为什么挑选这样的题目？首要有两个缘故起因：第一，随机线路采样题目很是得当于在二维布局的超导量子计较芯片上尝试实现；第二，已经有许多理论事变证明白随机线路采样题目的坚苦性。

图1  随机量子线路采样表示图

至于为什么随机量子线路经典计较机很难模仿，这里就不再具体论述（感乐趣的可以参考Adam Bouland等人，以及清华学霸陈立杰和MIT量子计较专家Scott Aaronson对该题目计较伟大度的研究[4][5]）。可是我们可以举个例子来简朴声名一下，好比一个50比特的随机量子线路采样，最终输出的量子态的态空间的维度是250，假如行使经典计较机模仿，起主要存储云云高维度的量子态是极其坚苦的，其次，在云云高维的计较空间上，模仿每一层的量子计较操纵，直至输出最终的计较功效，更是难上加难！

这次谷歌的尝试计划的是他们的第三代的线路布局：Sycamore（悬铃木），之前第一代，第二代（狐尾松），已经被中科大团队操作量子隐形传态的头脑，在经典超等计较机—神威太湖之光上有用模仿了高达1000个量子比特42深度的链型线路，和72个量子比特32深度的狐尾松布局二维线路[6]。受到这一模仿手段的挑衅，谷歌被迫计划了“悬铃木”布局的新线路。在谷歌正式颁发的nature论文中，引用了中科大团队的这一功效。

这里说个题外话，中科大的相干团队一向在演示“量子良好性”的另一途径——光子玻色采样的尝试上处于国际领先职位。偶合的是，昨天（10月23日）在arXiv上发布了该团队的阶段性新成就[arXiv: 1910.09930][7]：20光子输入60*60模式的玻色采样。论文冲破了光子数、模式数、量子态空间三项国际记录，宣称初次到达了百万亿级的输出量子态空间，比之前国际光学偕行的事变进步了百亿倍。中国团队有望在光学玻色采样题目上实现量子良好性。论文还在偕行评审中。

图2  20光子玻色采样表示图

二、谷歌量子AI团队的打破

（编辑：河北网）

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