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，谷歌在持续重金投入量子计算13年后，成功摘取量子计算领域的一个重要里程碑：实验证明“量子优越性”，在特定任务上，量子计算机可以大大超越经典计算机的计算能力了。虽然，费曼在38年前就提出了量子并行计算的概念，但是，这个第一次真正确信无疑地演示这种超级计算能力，花费了全世界科学家们几十年的努力。有国际专家把这个成果比喻为莱特兄弟的首飞，虽然当时的飞行器非常简陋，飞行只持续了12秒，完全没有实用价值，但是这预示了一个新技术时代即将到来的曙光。
应该指出的是，谷歌的阶段性实验绝不是终点，而是一个起点。今年9月份在合肥举办的新兴量子技术国际大会的白皮书指出，量子计算研究可以沿如下路线开展：“第一个阶段是实现量子优越性，即针对特定问题的计算能力超越经典超级计算机，这一阶段性目标将在近期实现；第二个阶段是实现具有应用价值的专用量子模拟系统；第三个阶段是实现可编程的通用量子计算机，还需要全世界学术界的长期艰苦努力。”
——潘建伟（中国科学技术大学教授，“赛先生”总编辑）
谷歌量子计算机sycamore的量子比特线路，采用超导材料搭建，置于极低温环境中。（图源：google）
撰文 | 黄合良
什么是“量子优越性”？
近年来，由于超导量子计算技术的快速发展，量子计算逐渐发展到50个左右量子比特规模。尽管如此，考虑到量子纠错需要耗费的资源，真正具备实用化的通用量子计算机至少需要10万-100万量级的量子物理比特。因此，量子计算机的研制是一个极具挑战并且周期可能较长的工作。
图1. 随机量子线路采样示意图
图2. 20光子玻色采样示意图
谷歌量子ai团队的突破
此次，谷歌量子ai团队制备了一块包含54个量子比特的超导量子计算芯片，并将其命名为sycamore。不幸的是，其中一个量子比特坏掉了，所以可用的量子比特只有53个。不过因为坏掉的量子比特在芯片的边缘，基本上不会影响最终实验结果。
图3. sycamore芯片的结构和实物图
“量子优越性”工作的争议
实际上，“量子优越性”代表了两个方面的竞争，一方面量子芯片的比特数和性能不断扩张，在某些问题上展现出极强的计算能力；另一方面，经典算法和模拟的工程化实现也可以不断优化，提升经典算法的效率和计算能力。所以，如果能够提升经典模拟的能力，那么谷歌的量子设备有可能就无法打败最强超算，从而“称霸”失败。实际上这是极有可能的，因为谷歌也无法保证他们在做经典模拟时已经达到了最优，包括他们所使用的薛定谔-费曼算法，以及对超算工程化实现的优化。
量子计算的下步路在何方？
纵观量子计算的发展，我们可以明显感受到量子计算技术的进步是显著的。尤其是近几年，这个方向进入了一个技术爆发区。各个量子计算物理体系都得到了长足的发展，以超导为代表的量子计算体系已经突破到50比特左右的规模，离子、原子体系也突破了20个比特的规模[8]，光子体系在2018年已实现了18比特纠缠[9]。
国内相关领域进展和布局
我国在超导量子计算领域起步较晚，相比于谷歌这个领头羊，我们国内的相关科研团队仍处于追赶地位。可喜的是，近年来，以中科大、浙大、中科院物理所等为代表的多个科研团队，已经突破了20个量子比特的超导量子计算技术[10-13]。目前，他们正在攻关50比特量子计算技术，并有望在明年底实现“量子优越性”。因此，我国在超导领域虽与美国存在差距，但是不存在代差，如果能够得到持续的投入和支持，未来可期。
参考资料
[1] boixo, s., et. al., characterizing quantum supremacy in near-term devices. nature physics, 14(6), 595 (2018)..
[2] bremner, m. j., jozsa, r., & shepherd, d. j. classical simulation of commuting quantum computations implies collapse of the polynomial hierarchy. proceedings of the royal society a: mathematical, physical and engineering sciences, 467(2126), 459-472 (2010).
[3] aaronson, s., & arkhipov, a. the computational complexity of linear optics. in proceedings of the forty-third annual acm symposium on theory of computing (pp. 333-342). acm (2011, june)..
[4] bouland, a., fefferman, b., nirkhe, c., & vazirani, u. on the complexity and verification of quantum random circuit sampling. nature physics, 15(2), 159 (2019)..
[5] aaronson, s., & chen, l. complexity-theoretic foundations of quantum supremacy experiments. arxiv preprint arxiv:1612.05903 (2016).
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