無限接近量子霸權？谷歌借 NASA 之手驗證並改善量子計算潛力

原標題：無限接近量子霸權？谷歌借 NASA 之手驗證並改善量子計算潛力

作為全世界寄予厚望的新型態計算架構，量子計算一直以來都被當作全球量級的技術發展核心，然而從 10 年前，D-Wave 最早的量子計算機上市以來，至今量子計算仍只能用來解決特定的問題，而最重要的目標：全面取代傳統經典計算機，達到真正量子霸權的目的，至今仍遙遙無期。

量子霸權的條件

前不久，中國國防科技大學吳俊傑團隊與上海交通大學金賢敏合作，也定義出一套所謂量子霸權的衡量方式，其作法是以國內最強的超級計算機天河二號為基礎，通過模擬，天河二號模擬 50 個光子的玻色採樣需要約 100 分鐘，若使用量子計算設備達到同等計算能力，就可視為達到量子霸權。

（來源：GOOGLE）

而另一個常被當作量子霸權的重要指標是量子比特 (Qubit) 數量，但這個指標在各家科技大廠的競爭之下，已經逐漸被滿足，甚至超越。比如說，IBM 在 2017 年底推出了具備 50 量子比特的計算機，而英特爾則是隨後在 2018 年初宣布量產 49 量子比特晶元，谷歌也不落人後的緊接著英特爾宣布推出 72 比特的量子計算處理器。

由於量子比特的數量已經達到一定的規模，在純粹算力要達到天河二號的標準也只是時間早晚而已，然而這樣就算符合了量子霸權的標準嗎？恐怕沒有這麼樂觀，由於在最重要的演算法軟體上的欠缺，以及量子計算本身的物理限制，要全面取代傳統經典計算還是有相當大的困難，這也讓量子霸權的最後一里路，顯得遙遙無期。

谷歌與 NASA 合作要跨過量子霸權的最後一道門檻

為了讓量子計算能夠全面超越經典計算架構的算力和應用呈現，谷歌與 NASA 在今年 7 月簽署了一項協議，協議中要求 NASA 分析谷歌量子計算架構上運行的量子電路的結果，並且與經典計算模擬進行比較，通過這項工作，支持谷歌驗證其量子計算硬體，並從而達到量子霸權的目的。

谷歌已經向《麻省理工科技評論》證實，該協議將以名為 Bristlecone 的最新款 72-qubit 量子晶元為基礎，進行一連串的模擬與驗證工作，最終將展示其在取代經典計算上的可行性。事實上，早在這個協議被揭露之前，谷歌早就已經和 NASA 在量子計算上進行了多種合作，這次的合作可說是協助谷歌達成量子霸權的最重要步驟，那就是驗證谷歌的量子計算在經典計算的模擬結果，從而改善谷歌的量子晶元的設計。

（來源：GOOGLE / NASA）

由於量子計算電路必須保持在接近絕對零度，無法把量子計算機從谷歌的實驗室轉移到 NASA 的實驗室，因此，其具體的做法是 NASA 的矽谷愛姆斯研究中心的量子人工智慧實驗室（QuAIL）將通過谷歌的雲 API 服務連接至 Bristlecone 量子計算機，而谷歌則是分享當前針對量子計算架構的經典計算模擬量子電路的軟體，讓 NASA 得以進一步的改善這個軟體。

谷歌和 NASA 將共同研究把各種優化和採樣問題映射到 Bristlecone 量子計算架構上，而預計在 2019 年初，當二者在模擬的問題和初始目標達成一致時，NASA 將在其位於 Ames 的 petaflop 規模的 Pleiades 超級計算機上編寫運行這些模擬所需的軟體。Pleiades 是 NASA 最強大的超級計算機，目前在全球排名前 25 位。

通過 Pleiades 的計算，NASA 也預計在協議簽署之後的 1 年內，將把其基於量子電路的經典模擬結果和谷歌硬體結果進行比較。

如果二者的模擬結果高度一致，那麼或許就有可能直接宣布量子霸權的達成，若沒有，谷歌也有 5 年的時間去完善、改進其電路模擬技術，達成更有效的彙編及電路模擬結果，從而滿足其量子霸權的目標。

該協議也指出，谷歌打算以開源的形式發布其軟體開發套件，從而完善整個量子計算環境。而根據 《麻省理工科技評論》的推論，該開發套件應該就是用於創建量子電路的開源軟體 Cirq，這是在今年夏季時宣布的，谷歌當時宣稱計劃在雲服務中提供 Bristlecone 量子計算，而 Cirq 正是作為其對應介面。

量子霸權的最後一里路？

今年 5 月，阿里巴巴量子實驗室施堯耘團隊宣佈於近日成功研製當前世界最強的量子電路模擬器，名為「太章」。基於阿里巴巴集團計算平台在線集群的超強算力，「太章」在世界上率先成功模擬了 81（9x9）比特 40 層的作為基準的谷歌隨機量子電路，之前達到這個層數的模擬器只能處理 49 比特。

（來源：阿里巴巴量子實驗室）

而太章的模擬結果顯示，谷歌量子計算架構的規模和正確性仍不足以撐起量子霸權這個稱號。

另外，南加州大學量子信息科學與技術中心主任 Daniel Lidar 對此也表示懷疑的態度，認為量子計算仍需要一些額外型式的錯誤抑制機制，否則其正確性恐怕很難負擔新型態經典模擬計算方法的演進。當然，他也不排除通過與 NASA 合作，谷歌達成量子霸權的可能性。

在量子計算的道路上，谷歌是否能成功取得霸權地位，可能就要看未來 12 個月其和 NASA 的合作成果了。

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