文|新智元
编辑|张佳 大明
量子计算真的存在吗？几十年来，这个领域一直困扰着一个基本的不确定因素，即它最终是否是徒劳？但是谷歌已经通过研究不仅证明了所谓的“量子霸权”，而且还证明了这仅仅是量子计算机最终将具备的能力的开端。
所有迹象表明，这是计算中的重要一点，但从许多方面来看，它也是深奥的和技术性的。然而，想想在60年代，用电子晶体管制造计算机的决定似乎也很深奥。但这是整个信息时代的催化剂。
我们大多数人都未能有幸参与该决定，或者不明白为什么这个决定在当时如此重要。但我们现在能来到这里是很幸运的，不过想要理解需要一些解释。我们就从计算机先驱艾伦·图灵和物理学先驱理查德·费曼讲起。
理查德·费曼：经典计算机不足以完成这项任务
在第二次世界大战期间和之后，图灵和他那代人所设想的通用计算机得以实现，从真空管到手工制造的晶体管，再到如今的密集芯片，随之发展出一种计算理念，本质上是说：如果它可以用数字表示，我们就可以模拟它。
这意味着云的形成、对象识别、语音合成、3D几何、复杂的数学——只要有足够的计算能力，这一切就可以在已成为标准的标准处理器-RAM存储机器上完成。
但是也有例外。尽管有些像数学悖论这样晦涩难懂的东西，但随着量子物理学领域的发展，这些都有可能被解决。费曼是在80年代初提出的，如果你想模拟一个量子系统，则需要一个量子系统来完成。
“我对所有经典理论的分析都不满意，因为自然不是经典的，如果你想模拟自然，你最好把它变成量子力学，”费曼以他独特的方式总结道。他认为其他人所说的经典计算机不足以完成这项任务。
事实证明，理查德·费曼做出了正确的选择。
问题是，当时根本没有量子计算机，也没有人知道如何制造。是不是有了足够的普通计算能力，我们就可以将自然模拟到最小，最怪异的水平？
还是由于某些类型的问题而使你陷入困境，比如你可以将地球上的每台计算机都投入到一项任务中，而进度条在一百万年内只会向前移动一个百分点。
而且，如果是这样的话，是否有可能创建一台可以在合理的时间内解决该问题的计算机？
为了证明费曼是正确的，你必须回答所有这些问题。你必须证明，存在一个不仅对普通计算机来说很困难的问题，而且即使在令人难以置信的功率水平上，也不可能解决这些问题。而且，你不仅需要进行理论分析，还必须创建一台确实可以解决相同问题的新计算机。
这样一来，你不仅可以证明理论，还可以开辟一个全新的解决问题的理论，一个可以检验的理论。这将是一个全新的计算领域首次成功打出“hello world”并开放给世界上所有人使用的时刻，而这正是谷歌和美国宇航局的研究人员所宣称的成就。
量子计算与经典计算
关于量子计算与经典计算的区别，已经有很多著作，但是这里有一些基础知识需要提及。
经典计算机是围绕晶体管构建的，这些晶体管通过保持或释放电荷来表示1或0。通过将这些晶体管连接在一起形成更复杂的结构，它们可以表示数据，或者通过逻辑门（例如AND和NOR）对数据进行转换和组合。有了几十年来发展起来的数字计算机特有的复杂语言，我们可以让它们做各种有趣的事情。
量子计算机实际上非常相似，因为它们有一个基本单元，它们在上面执行逻辑来执行各种任务。不同之处在于单位更复杂：一个量子位，它代表一个比0或1复杂得多的数学空间。相反，你可以把它们的状态看作是球体上的一个位置，三维空间中的一个点。逻辑也更复杂，但仍然是相对基本的：该点可以调整、翻转等。然而，观察到的量子位也是数字的，它提供了等于0或1的值。
通过在更丰富的数学空间中表示一个值，这些量子位及其操作可以执行新的和有趣的任务，包括一些我们以前没有能力做的任务，如谷歌所示。
为了完成上面总结的三个任务，首先团队必须找到一个经典计算机很难解决，但量子计算机应该相对容易做的任务。
此外，已经有模拟量子计算机的方法——它们是与真正的量子硬件一起开发的，因此性能可以与理论进行比较。这些模拟器和它们模拟的硬件差别很大，近年来，由于量子计算已不仅仅是大型公司和研究机构的爱好，因此得到了极大的改进。
具体来说，问题是在量子计算机中模拟门和量子位的随机序列的输出。简而言之，当量子位电路执行某项操作时，与其他计算机一样，结果为0和1的序列。如果没有特别计算，则这些数字将是随机的。但是，这种随机方式是非常特定而且可预测的。
想像一下一个弹珠迷宫，弹球落下的路径在某种程度上是随机的，但是如果将10000个球从完全相同的位置放到完全相同的迷宫中，则最后落下的结果分布会出现一些模式化的概率分布，可能会更多地落在中心附近。
但是，模拟一台简单的弹球机比一台复杂的机器要容易得多，模拟一小部分量子比特比许多其他量子比特要容易得多。毕竟，量子位已经很复杂。而且，当遇到干扰，细微错误以及走向等问题时，传统计算机将无法全部解决。到那时，您将进入只有量子计算机才能做到的领域：“量子霸权”领域。
计算时间双指数增长，经典计算力不从心
Google的设置非常简单。在量子计算机和模拟器中设置随机创建的量子比特电路。从几个量子位开始做一些简单的操作循环，然后比较产生结果所需的时间。
请记住，模拟计算不是在冰箱大小的量子计算机旁边的笔记本电脑上运行，而是在Summit上运行，这台位于橡树岭国家实验室的超级计算机目前被评为世界上功能最强大的单一处理系统。它搭载240万个处理内核，内存不到3 PB，算力可达约150 petaflops。
在测试的早期阶段，模拟器和量子计算机愉快地达成了共识，运行结果中反复出现的数字，概率分布是相同的。
但是，随着更多的量子比特和更多的复杂问题被添加到系统中，模拟器产生其预测所花费的时间增加了。最初，实际执行计算和模拟计算的时间可能还处于同一级别，大概相差几秒钟或几分钟。但当后者达到54量子比特时，这些表示时间差距的数字迅速增长。
逐渐地，模拟器需要五个小时才能验证量子计算机的结果，这时Google改变了策略。因为要让量子计算变得更加复杂，增加更多的量子比特并不是唯一方法（而且研究人员已经没办法在当前的硬件中添加更多东西了）。他们开始使用给定的电路执行更多轮操作，这也增加了模拟的复杂度。
对于量子计算机而言，执行多一轮计算需要的时间很短，甚至要乘以数千次才能获得所需的运行次数，以产生有意义的概率，但最终只花了几秒钟的时间。而对于模拟器而言，在世界上功能最强大的计算机上，验证这些结果需要花费一周甚至更长的时间。
这时，团队不得不停止真实的模拟器测试，因为既费时又昂贵。但即使如此，也没有人真正声称他们已经实现了“量子霸权”。毕竟，这些验证让有史以来最大的经典计算机花了数千倍的时间才完成，但毕竟是完成了。
因此，研究人员将时间量度又拨了几个档位。用54个量子比特执行25个计算周期，Google的Sycamore系统共耗时200秒。根据早期的结果推算，研究人员估计Summit超算将耗时 10000年。
团队将这一对比称为双指数增长。事实证明，每次向量子计算机添加量子比特，或增加计算次数都会增加几微秒或几秒钟，这属于线性增长。但是，添加到模拟系统中的每个量子比特会使该传统超算模拟的运行成本成倍增加，增加计算次数也是一样。
想象一下，这就相当于我们两人比赛做俯卧撑，我做了多少个，再平方，再平方。你就要做这么多个。如果我做1个，你也要做一个。如果我做2个，你就要做16个。到目前为止，你还能坚持，没问题。但是如果我做10个，你就要做10000个俯卧撑。实际上Sycamore和Summit并不完全相似，因为添加量子位和增加周期，带来的计算时间的难度增加程度是不同的，但如果打个比方，就是这个意思。
这里值得一提的是，此结果在某种程度上取决于超级计算机和仿真计算技术的当前发展状态，目前的情况可能以后会有所改善。实际上，IBM在Google发布公告之前就发表了一篇论文，文中表示，从理论上讲，IBM可以大幅减少描述的任务所需的时间。但是减少的程度似乎不可能再达到多个数量级，无法再次威胁到量子霸权的产生。
量子计算会不会莫名其妙“掉链子”？
基本上，无论量子计算是否真的有未来，都有可能获得类似的结果。硬件领导和长期量子理论家约翰·马丁内斯（John Martines）指出了迄今为止要处理的几十种几乎难以理解问题，它解释了一个至关重要的结果：量子计算机没有显现出任何奇怪而出乎意料的事情来。
这一点非常重要。在连接数十个量子比特并迫使它们随着控制系统的调动、翻转、纠缠，脱离接合等过程中，完全有可能发生—可能发生某些事情。
也许事实证明，电路中纠缠量子比特超过14个的系统会产生大量干扰，从而破坏操作。也许某种未知的力会导致顺序量子位比特互相影响。某些类型的顺序门可能会导致电路断开。正是由于这些未知因素，人们才开始质疑量子计算是否真的存在。
想象一下，如果他们发现在数字计算机中，如果将太多的晶体管连接在一起，它们都会自发地丢失电荷并归零。这将极大限制基于晶体管的数字计算机的功能。直到现在，还没有人知道量子计算机是否存在这样的限制。
“目前还没有新的物理方法会导致这种失败。这是一大收获，”马丁内斯说。“无论是简单电路还是复杂电路，我们都会看到相同的错误，这意味着这些错误的出现并不取决于计算复杂度或量子纠缠度，也就是说正在进行的复杂量子计算不具有这样的脆弱性，因为现在正在做的就是复杂的计算。”
研究人员以比以往更高的复杂度操作量子计算机，并没有发生任何奇怪的事情。根据他们的观察和测试，他们发现似乎可以采用相同的方案进行复杂度更高的计算，比如1000量子比特，甚至更高。
量子计算的“Hello World”已经到来
这是谷歌研究团队的真正成就。他们发现，在实现量子霸权的里程碑的过程中，量子计算机不仅可以得到有趣的实验结果，而且还可以变得更好，取得更多的成就。
这意味着不久的将来，尽管没有人能真正说出何时，量子计算机将成为人们用来完成真实任务的工具。我们现在就可以编写代码了，而不是还停留在理论上是否可以执行代码的程度上。
这是量子计算的“ hello world”时刻。
Google的论文已发表在《自然》杂志上。
参考来源：techcrunch
