【文/觀察者網(wǎng)專欄作者 潘禺】

12月10日，谷歌重磅推出量子計(jì)算芯片“Willow”，在公關(guān)宣傳攻勢(shì)下，馬斯克送上了“Wow”，奧特曼也發(fā)來了賀電。

Willow是一款擁有105個(gè)物理量子比特的量子芯片，亮點(diǎn)在于其驚人的計(jì)算速度和錯(cuò)誤校正能力。據(jù)報(bào)道，Willow能在不到5分鐘的時(shí)間內(nèi)完成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算任務(wù)，而這個(gè)任務(wù)如果交給全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)，可能需要超過10-25年，這個(gè)數(shù)字甚至超過了宇宙的年齡。

Willow的另一個(gè)成就是其指數(shù)級(jí)減少錯(cuò)誤率的能力。隨著量子比特?cái)?shù)量的增加，錯(cuò)誤率通常會(huì)指數(shù)增長(zhǎng)，但Willow通過先進(jìn)的量子糾錯(cuò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了錯(cuò)誤率的指數(shù)級(jí)降低。每當(dāng)晶格從3x3增加到5x5，再到7x7時(shí)，編碼錯(cuò)誤率就會(huì)以2.14的倍率降低。這種對(duì)邏輯錯(cuò)誤的潛在抑制為運(yùn)行有糾錯(cuò)的大規(guī)模量子算法奠定了基礎(chǔ)。

Google Quantum AI團(tuán)隊(duì)的工作環(huán)境

權(quán)威專家的反應(yīng)

量子計(jì)算的教主和旗手，美國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)家Scott Joel Aaronson在他的博客也做了一些點(diǎn)評(píng)，盡管整體上比較積極樂觀，但話里話外還是有一些玄機(jī)。

比如，Aaronson要讀者明確，進(jìn)步大體上符合多數(shù)人的預(yù)期：

對(duì)于過去五年一直在關(guān)注實(shí)驗(yàn)量子計(jì)算的人來說（比如說，從2019年谷歌的原始量子霸權(quán)里程碑開始），這里沒有什么特別的震驚。自2019年以來，谷歌在其芯片上的量子比特?cái)?shù)量大約翻了一番，更重要的是，將量子比特的相干時(shí)間提高了5倍。與此同時(shí)，他們的2量子比特門保真度現(xiàn)在大約是99.7%（對(duì)于受控-Z門）或99.85%（對(duì)于“iswap”門），相比之下2019年是~99.5%。

他談到最重要的是量子容錯(cuò)跨過了門檻，但離“真正的”容錯(cuò)量子比特還有距離：

從科學(xué)上講，頭條結(jié)果是，隨著他們?cè)黾颖砻娲a的大小，從3×3到5×5到7×7，谷歌發(fā)現(xiàn)他們的編碼邏輯量子比特存活時(shí)間變長(zhǎng)而不是變短。所以，這是一個(gè)非常重要的門檻，現(xiàn)在已經(jīng)被跨越了。正如Dave Bacon對(duì)我說的，“現(xiàn)在形成了漩渦”——或者，換個(gè)比喻，30年后，我們終于開始觸及量子容錯(cuò)的龍尾，這條龍（一旦完全喚醒）將允許邏輯量子比特被保存和操作幾乎任意長(zhǎng)的時(shí)間，允許可擴(kuò)展的量子計(jì)算。

話雖如此，Sergio Boixo告訴我，谷歌只有在能夠以~10^-6的錯(cuò)誤進(jìn)行容錯(cuò)的兩量子比特門（因此，在遭受一個(gè)錯(cuò)誤之前，大約可以進(jìn)行一百萬(wàn)次容錯(cuò)操作）時(shí)，才會(huì)認(rèn)為自己創(chuàng)造了一個(gè)“真正的”容錯(cuò)量子比特。我們還離這個(gè)里程碑有一段距離：畢竟，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，谷歌只創(chuàng)建了一個(gè)編碼量子比特，甚至沒有嘗試在其上進(jìn)行編碼操作，更不用說在多個(gè)編碼量子比特上了。

Aaronson也談到了谷歌這次秒殺超算10^25年的“量子霸權(quán)實(shí)驗(yàn)”：

谷歌還宣布了在其105量子比特芯片上進(jìn)行新的量子霸權(quán)實(shí)驗(yàn)，基于40層門的隨機(jī)電路采樣。值得注意的是，他們說，如果你使用目前已知的最佳模擬算法（基于Johnnie Gray的優(yōu)化張量網(wǎng)絡(luò)收縮），以及一臺(tái)百億億次超級(jí)計(jì)算機(jī)，他們的新實(shí)驗(yàn)如果不考慮內(nèi)存問題，需要大約3億年才能在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上模擬，或者如果考慮內(nèi)存問題，需要大約10^25年（注意，自大爆炸以來只過去了大約10^10年）。

他指出這里“10^25年”結(jié)果的最大問題，也就是谷歌量子芯片的計(jì)算結(jié)果沒有直接的驗(yàn)證。他擔(dān)心谷歌沒有給予足夠的關(guān)注：

由于同樣的原因（據(jù)大家所知），經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬這一量子計(jì)算將花費(fèi)約10^25年，因此經(jīng)典計(jì)算機(jī)直接驗(yàn)證量子計(jì)算結(jié)果也需要約10^25年！（例如，通過計(jì)算輸出的“線性交叉熵”得分）。因此，谷歌的新量子霸權(quán)實(shí)驗(yàn)的所有驗(yàn)證都是間接的，基于較小電路的外推，而這些電路是經(jīng)典計(jì)算機(jī)可以實(shí)際檢查結(jié)果的。需要明確的是，我個(gè)人沒有理由懷疑這些外推結(jié)果。但是，對(duì)于那些奇怪為什么我多年來一直癡迷于設(shè)計(jì)高效驗(yàn)證的近期量子霸權(quán)實(shí)驗(yàn)的原因：這就是原因！我們現(xiàn)在深陷于我之前警告過的不可驗(yàn)證的領(lǐng)域。

以色列數(shù)學(xué)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家，量子計(jì)算懷疑論者Gil Kalai則在博客上寫道：

我們還沒有研究Google Quantum AI的這些特定聲明，但我的一般結(jié)論適用于它們：應(yīng)謹(jǐn)慎對(duì)待 Google Quantum AI 的聲明（包括已發(fā)布的聲明），尤其是那些具有特殊性質(zhì)的聲明。這些說法可能源于重大的方法論錯(cuò)誤，因此，可能更多地反映了研究人員的期望，而不是客觀的科學(xué)現(xiàn)實(shí)。

Gil Kalai還在這篇博文中談到了量子計(jì)算炒作和比特幣的問題：

當(dāng)2019年谷歌的量子霸權(quán)主張發(fā)布（或者更確切地說是泄露）時(shí)，有很多說法認(rèn)為這意味著量子計(jì)算機(jī)就在附近，因此比特幣所需的密碼學(xué)將是可破解的，比特幣將失去其價(jià)值。

我通常不介意“炒作”，因?yàn)樗从沉丝茖W(xué)家對(duì)他們工作的熱情和公眾對(duì)科學(xué)努力的興奮。然而，就谷歌而言，需要謹(jǐn)慎行事。例如，在2019年宣布“霸權(quán)”之后，比特幣的價(jià)值在短短幾天內(nèi)（2019年10月24日左右，經(jīng)過一段時(shí)間的穩(wěn)定）從大約9,500美元跌至約8,500美元，給投資者帶來了超過100億美元的損失。比特幣今天的價(jià)值約為100,000美元。此外，谷歌的斷言可能對(duì)其它量子計(jì)算工作提出了不切實(shí)際的挑戰(zhàn)，并鼓勵(lì)了不受歡迎的科學(xué)方法的文化。

跨越量子糾錯(cuò)的門檻

正如Aaronson所說，這次值得稱道的，不是無法直接驗(yàn)證的“量子霸權(quán)”實(shí)驗(yàn)，而是量子容錯(cuò)跨過了門檻。

對(duì)于實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)的主要困難，和對(duì)其中炒作的重新審視，心智觀察所此前在《美國(guó)開始重新審視量子計(jì)算機(jī)，這對(duì)中國(guó)很重要》一文中已經(jīng)做了詳細(xì)介紹。

這次Google Quantum AI團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志上發(fā)表的論文，其重要成果是跨過了量子糾錯(cuò)的閾值，這又是怎么回事呢？

構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的研究人員面臨的中心挑戰(zhàn)，是如何用不完美的部件構(gòu)建出完美的機(jī)器。他們的基本構(gòu)建塊，也就是量子比特，對(duì)外界干擾極其敏感。今天的原型量子計(jì)算機(jī)過于容易出錯(cuò)，無法做任何有用的事情。

上世紀(jì)90年代，研究人員為克服這些錯(cuò)誤奠定了理論基礎(chǔ)，稱為量子糾錯(cuò)。關(guān)鍵思想是誘使一組物理量子比特協(xié)同工作，作為一個(gè)單一的高質(zhì)量“邏輯量子比特”。然后計(jì)算機(jī)將使用許多這樣的邏輯量子比特進(jìn)行計(jì)算。他們通過將許多有缺陷的組件轉(zhuǎn)化為較少的可靠組件來制造那臺(tái)完美的機(jī)器。

這種計(jì)算的煉金術(shù)也有局限，如果物理量子比特太容易失敗，糾錯(cuò)反而會(huì)適得其反。也就是增加更多的物理量子比特會(huì)使邏輯量子比特變得更糟，而不是更好。但如果錯(cuò)誤率低于特定閾值，平衡就會(huì)傾斜：你增加的物理量子比特越多，每個(gè)邏輯量子比特就變得越有彈性。

這次谷歌團(tuán)隊(duì)終于跨越了這個(gè)閾值。他們將一組物理量子比特轉(zhuǎn)化為一個(gè)邏輯量子比特，隨著他們向該組添加更多的物理量子比特，邏輯量子比特的錯(cuò)誤率急劇下降。

考慮一臺(tái)經(jīng)典計(jì)算機(jī)，信息表示為一串比特，0或1。任何隨機(jī)的故障，如果翻轉(zhuǎn)了比特的值，都會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤。為了防范錯(cuò)誤，可以將信息分散到多個(gè)比特上，每個(gè)0重寫為000，每個(gè)1重寫為111。如果一組中的三個(gè)比特不是全部具有相同的值，你就會(huì)知道發(fā)生了錯(cuò)誤，多數(shù)投票將修復(fù)錯(cuò)誤的比特。但如果三元組中的兩個(gè)比特同時(shí)出錯(cuò)，多數(shù)投票將返回錯(cuò)誤的答案。

如果增加每個(gè)組中的比特?cái)?shù)量，比如五比特，雖然這種更大的代碼可以處理更多的錯(cuò)誤，你也引入了更多可能出錯(cuò)的方式。只有當(dāng)每個(gè)單獨(dú)比特的錯(cuò)誤率低于特定閾值時(shí)，凈效應(yīng)才是有益的，比如五比特版本可以容忍每個(gè)組中的兩個(gè)錯(cuò)誤。

在量子世界中，情況更加棘手。量子計(jì)算中的每一步都是另一個(gè)錯(cuò)誤源，糾錯(cuò)過程本身也是如此。更重要的是，沒有辦法在不不可逆地干擾它的情況下測(cè)量量子比特的狀態(tài)。所以，起初許多研究人員認(rèn)為量子糾錯(cuò)是不可能的。