2019年8月23日，谷歌在持續(xù)重金投入量子計算13年后，成功摘取量子計算領(lǐng)域的一個重要里程碑：實驗證明“量子優(yōu)越性”，在特定任務(wù)上，量子計算機可以大大超越經(jīng)典計算機的計算能力了。雖然，費曼在38年前就提出了量子并行計算的概念，但是，這個第一次真正確信無疑地演示這種超級計算能力，花費了全世界科學(xué)家們幾十年的努力。有國際專家把這個成果比喻為萊特兄弟的首飛，雖然當時的飛行器非常簡陋，飛行只持續(xù)了12秒，完全沒有實用價值，但是這預(yù)示了一個新技術(shù)時代即將到來的曙光。

應(yīng)該指出的是，谷歌的階段性實驗絕不是終點，而是一個起點。今年9月份在合肥舉辦的新興量子技術(shù)國際大會的白皮書指出，量子計算研究可以沿如下路線開展：“第一個階段是實現(xiàn)量子優(yōu)越性，即針對特定問題的計算能力超越經(jīng)典超級計算機，這一階段性目標將在近期實現(xiàn)；第二個階段是實現(xiàn)具有應(yīng)用價值的專用量子模擬系統(tǒng)；第三個階段是實現(xiàn)可編程的通用量子計算機，還需要全世界學(xué)術(shù)界的長期艱苦努力。” 

——中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 潘建偉

10月23日，權(quán)威雜志Nature刊出了谷歌量子AI團隊的的最新科研工作“Quantum supremacy using a programmable superconducting processor”。至此，谷歌宣稱的“量子優(yōu)越性”終于“坦然公布于眾”。事實上，谷歌的論文在9月就曾被NASA披露，雖不久后被悄悄刪除，但該論文已經(jīng)在業(yè)內(nèi)流傳開，并且引起了軒然大波。

論文報道了谷歌團隊基于一個包含53個可用量子比特的可編程超導(dǎo)量子處理器，運行隨機量子線路進行采樣，耗時約200秒可進行100萬次采樣，并且估計如果使用目前強大的超算Summit來計算得到同樣的結(jié)果，需耗費約 1 萬年。據(jù)此，谷歌宣稱實現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”。

一、什么是“量子優(yōu)越性”？

近年來，由于超導(dǎo)量子計算技術(shù)的快速發(fā)展，量子計算逐漸發(fā)展到50個左右量子比特規(guī)模。盡管如此，考慮到量子糾錯需要耗費的資源，真正具備實用化的通用量子計算機至少需要10萬-100萬量級的量子物理比特。因此，量子計算機的研制是一個極具挑戰(zhàn)并且周期可能較長的工作。

為了推動量子計算機的研制，我們必須把其分成一個個的小目標，依據(jù)小目標的指引，不斷突破。第一個小目標就是“量子優(yōu)越性”(Quantum Supremacy)，指的是量子計算機在某個特定問題上的計算能力遠超過性能最好的超算，證明量子計算機的優(yōu)越性。因此，“量子優(yōu)越性”被認為是量子計算發(fā)展道路上的一個重要里程碑。

剛才提到的“某個特定問題”，即經(jīng)過精心設(shè)計，非常適合于量子計算設(shè)備發(fā)揮其計算潛力的問題。這類問題包括隨機量子線路采樣（Random Circuit Sampling）[1]、IQP線路（Instantaneous Quantum Polynomial）[2]、玻色采樣（Boson Sampling）[3]，而谷歌量子AI團隊所針對的問題是隨機量子線路采樣。

所謂隨機量子線路，簡單說就是隨機從一個量子門的集合中挑選單比特量子門，作用到量子比特上，每作用一層單比特量子門，就會接著做一層兩比特量子門，多次重復(fù)這樣的操作后，測量最終的量子態(tài)，即完成一次采樣。谷歌為什么挑選這樣的問題？主要有兩個原因：第一，隨機線路采樣問題非常適合于在二維結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)量子計算芯片上實驗實現(xiàn)；第二，已經(jīng)有很多理論工作證明了隨機線路采樣問題的困難性。 

圖1  隨機量子線路采樣示意圖

至于為什么隨機量子線路經(jīng)典計算機很難模擬，這里就不再詳細敘述（感興趣的可以參考Adam Bouland等人，以及清華學(xué)霸陳立杰和MIT量子計算專家Scott Aaronson對該問題計算復(fù)雜度的研究[4][5]）。但是我們可以舉個例子來簡單說明一下，比如一個50比特的隨機量子線路采樣，最終輸出的量子態(tài)的態(tài)空間的維度是250，如果使用經(jīng)典計算機模擬，首先要存儲如此高維度的量子態(tài)是極其困難的，其次，在如此高維的計算空間上，模擬每一層的量子計算操作，直至輸出最終的計算結(jié)果，更是難上加難！

這次谷歌的實驗設(shè)計的是他們的第三代的線路結(jié)構(gòu)：Sycamore（懸鈴木），之前第一代，第二代（狐尾松），已經(jīng)被中科大團隊利用量子隱形傳態(tài)的思想，在經(jīng)典超級計算機—神威太湖之光上有效模擬了高達1000個量子比特42深度的鏈型線路，和72個量子比特32深度的狐尾松結(jié)構(gòu)二維線路[6]。受到這一模擬能力的挑戰(zhàn)，谷歌被迫設(shè)計了“懸鈴木”結(jié)構(gòu)的新線路。在谷歌正式發(fā)表的nature論文中，引用了中科大團隊的這一結(jié)果。

這里說個題外話，中科大的相關(guān)團隊一直在演示“量子優(yōu)越性”的另一途徑——光子玻色采樣的實驗上處于國際領(lǐng)先地位。巧合的是，昨天（10月23日）在arXiv上公布了該團隊的階段性新成果[arXiv: 1910.09930][7]：20光子輸入60*60模式的玻色采樣。論文打破了光子數(shù)、模式數(shù)、量子態(tài)空間三項國際記錄，宣稱首次達到了百萬億級的輸出量子態(tài)空間，比之前國際光學(xué)同行的工作提高了百億倍。中國團隊有望在光學(xué)玻色采樣問題上實現(xiàn)量子優(yōu)越性。論文還在同行評審中。

圖2  20光子玻色采樣示意圖

二、谷歌量子AI團隊的突破

此次，谷歌量子AI團隊制備了一塊包含54個量子比特的超導(dǎo)量子計算芯片，并將其命名為Sycamore。不幸的是，其中一個量子比特壞掉了，所以可用的量子比特只有53個。不過因為壞掉的量子比特在芯片的邊緣，基本上不會影響最終實驗結(jié)果。

這塊超導(dǎo)量子芯片基本上匯聚了谷歌量子AI團隊這幾年所發(fā)展的所有先進的實驗技術(shù)，其中最突出的兩項技術(shù)是倒裝焊封裝技術(shù)和可調(diào)量子耦合器。倒裝焊封裝技術(shù)是一種芯片互連技術(shù)，通過倒裝焊，可以實現(xiàn)二維排布量子芯片的制備?？烧{(diào)耦合器的作用是調(diào)節(jié)量子比特間的耦合強度，當我們想讓比特間發(fā)生耦合實現(xiàn)多比特門時，可以將耦合強度調(diào)大，但是當我們不想讓比特間發(fā)生耦合時，可以關(guān)掉耦合器。

圖3  Sycamore芯片的結(jié)構(gòu)和實物圖

可調(diào)耦合器的突破使得比特間的串擾錯誤得到有效抑制。從谷歌的基準測試來看，Sycamore芯片在進行并行量子門操控時，還能保持99.84%精度的單比特門、99.38%精度的兩比特門以及96.2%精度的讀出，綜合性能代表了目前超導(dǎo)量子計算的最高水平。

為了說明“量子優(yōu)越性”，谷歌與目前世界排名第一的超級計算機Summit進行了性能比對。在Sycamore上進行53比特、20深度的量子隨機線路采樣，200秒約可采樣100萬次，并且最終結(jié)果的保真度預(yù)計有0.2%；作為對比，谷歌預(yù)計超算Summit要得到保真度為0.1%的結(jié)果，需要耗費1萬年。基于此，谷歌宣稱實現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”。

三、“量子優(yōu)越性”工作的爭議

實際上，“量子優(yōu)越性”代表了兩個方面的競爭，一方面量子芯片的比特數(shù)和性能不斷擴張，在某些問題上展現(xiàn)出極強的計算能力；另一方面，經(jīng)典算法和模擬的工程化實現(xiàn)也可以不斷優(yōu)化，提升經(jīng)典算法的效率和計算能力。所以，如果能夠提升經(jīng)典模擬的能力，那么谷歌的量子設(shè)備有可能就無法打敗最強超算，從而“稱霸”失敗。實際上這是極有可能的，因為谷歌也無法保證他們在做經(jīng)典模擬時已經(jīng)達到了最優(yōu)，包括他們所使用的薛定諤-費曼算法，以及對超算工程化實現(xiàn)的優(yōu)化。

有趣的是，IBM是第一個跳出來表示“不服”的。IBM在10月21的arXiv上論文“Leveraging Secondary Storage to Simulation Deep 54-qubit Sycamore Circuits”中指出，谷歌對隨機量子線路的經(jīng)典模擬優(yōu)化得并不好，如果采用內(nèi)存和硬盤混合存儲方案，模擬53比特、20深度的量子隨機線路采樣，僅需2.5天。IBM還宣稱這只是他們保守的估計，“一萬年太久，只爭朝夕”。

其實，IBM說可以更快地在經(jīng)典計算機上模擬也不足為奇。畢竟經(jīng)典算法的發(fā)展，以及超算上的工程化實現(xiàn)，還是有提升空間的。“量子優(yōu)越性”本身也是經(jīng)典計算和量子計算Battle的過程。說不定再過段時間，經(jīng)典模擬的速度可以直接超過谷歌的Sycamore量子計算系統(tǒng)。

但是可以肯定的是，谷歌的工作確實體現(xiàn)了超導(dǎo)量子計算的快速發(fā)展，至少已經(jīng)到了在某些問題上可以跟目前最強超算比一比的能力了。這種實驗技術(shù)上的進步，也許比“量子優(yōu)越性”來的更實在。從這個意義上，谷歌有沒有實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”這件事很重要，但也許也并不是那么重要。因為量子態(tài)的空間維度是隨比特數(shù)指數(shù)增加的，即便谷歌此次“量子優(yōu)越性”的宣稱失敗了，但隨著量子比特數(shù)繼續(xù)擴張，“量子優(yōu)越性”也會遲早到來。

四、量子計算的下步路在何方？

縱觀量子計算的發(fā)展，我們可以明顯感受到量子計算技術(shù)的進步是顯著的。尤其是近幾年，這個方向進入了一個技術(shù)爆發(fā)區(qū)。各個量子計算物理體系都得到了長足的發(fā)展，以超導(dǎo)為代表的量子計算體系已經(jīng)突破到50比特左右的規(guī)模，離子、原子體系也突破了20個比特的規(guī)模[8]，光子體系在2018年已實現(xiàn)了18比特糾纏[9]。

需要注意的是，谷歌此次宣稱的“量子優(yōu)越性”，目的僅僅是為了在實驗上證明量子計算機確實有超越目前最強超算的能力，這并不意味著我們已經(jīng)實現(xiàn)了實用化的量子計算機。“量子優(yōu)越性”對于量子計算的發(fā)展，僅僅是一個開始。

首先，谷歌的工作來看，雖然他們在比特操控和讀取上都達到了極高精度，但是運行20層量子線路后，保真度僅達到了0.2%，這樣的精度完全無法支撐大規(guī)模量子算法的實驗實現(xiàn)；此外，谷歌用來演示量子優(yōu)越性的問題是沒有實用價值的，它的目的僅在于證明量子計算的計算能力。因此，實現(xiàn)通用量子計算還需要很長的時間，我們需要在量子糾錯得到突破，以支撐保持高品質(zhì)地擴展量子比特數(shù)，并探索如何有效地發(fā)揮量子計算機的優(yōu)勢來解決真正有用的問題。

那么下一步，量子計算的路在何方？2019年9月15日在合肥成功舉辦的新興量子技術(shù)國際會議形成了《量子信息和量子技術(shù)白皮書（合肥宣言）》，國際專家在宣言中對量子計算發(fā)展的三個階段達成了共識，“要構(gòu)建一臺真正具有通用計算能力的量子計算機，仍需要長期的努力。”

為了領(lǐng)域的健康長期發(fā)展，除了要在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域做好操縱精度、可容錯之外，規(guī)模化、實用性的量子計算研究可以沿如下路線開展。第一個階段是實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”或稱“量子稱霸”，即量子模擬機針對特定問題的計算能力超越經(jīng)典超級計算機，這一階段性目標可在近期實現(xiàn)。第二個階段是實現(xiàn)具有應(yīng)用價值的專用量子模擬系統(tǒng)，可在組合優(yōu)化、量子化學(xué)、機器學(xué)習(xí)等方面發(fā)揮效用。第三個階段是實現(xiàn)可編程的通用量子計算機，能在經(jīng)典密碼破解、大數(shù)據(jù)搜索、人工智能等方面發(fā)揮巨大作用。實現(xiàn)通用可編程量子計算機還需要全世界學(xué)術(shù)界的長期艱苦努力。”

五、國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域進展和布局

我國在超導(dǎo)量子計算領(lǐng)域起步較晚，相比于谷歌這個領(lǐng)頭羊，我們國內(nèi)的相關(guān)科研團隊仍處于追趕地位?？上驳氖牵陙?，以中科大、浙大、中科院物理所等為代表的多個科研團隊，已經(jīng)突破了20個量子比特的超導(dǎo)量子計算技術(shù)[10-13]。目前，他們正在攻關(guān)50比特量子計算技術(shù)，并有望在明年底實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”。因此，我國在超導(dǎo)領(lǐng)域雖與美國存在差距，但是不存在代差，如果能夠得到持續(xù)的投入和支持，未來可期。