智東西（公眾號(hào)：zhidxcom）
文 | 心緣
智東西10月23日消息，還記得一個(gè)月前谷歌聲稱第一個(gè)實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)（Quantum Supremacy）”嗎？它被譽(yù)為量子計(jì)算發(fā)展的重大進(jìn)展，用3分20秒就能完成全球第一超算花費(fèi)10000年才能完成的計(jì)算。（谷歌登頂量子霸權(quán)？3分20秒完成計(jì)算，世界第一超算要花1萬年）
最近，量子計(jì)算機(jī)的另一個(gè)核心玩家IBM看不過去了，直接公開批評(píng)谷歌的說法有誤導(dǎo)性，計(jì)算方式有bug，現(xiàn)代超算根本不需要花費(fèi)那么長(zhǎng)的時(shí)間。
“我們已有足夠的證據(jù)表明’量子霸權(quán)’一詞被廣泛誤讀且造成越來越多的困惑，我們建議大家不要再使用這個(gè)詞，且希望社區(qū)盡早放棄繼續(xù)使用這個(gè)詞?！盜BM博客中寫道。
IBM研究人員稱，量子計(jì)算機(jī)并不是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的“霸權(quán)”，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室所做的實(shí)驗(yàn)旨在實(shí)施一種非常具體的量子采樣程序，而沒有實(shí)際應(yīng)用。
其博客指出，谷歌在估算經(jīng)典超算需要10000年來計(jì)算的估算上出了問題，而IBM的方法可以讓超算在2.5天內(nèi)以更高的保真度完成相同計(jì)算任務(wù)。這還是”保守的、最壞情況的估計(jì)“，其他研究能進(jìn)一步減少時(shí)間。
而谷歌10000年的估算，是基于一個(gè)錯(cuò)誤的假設(shè)，即在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中運(yùn)行問題的量子模擬所需要的RAM會(huì)非常高。谷歌用時(shí)間來彌補(bǔ)空間的不足，才估計(jì)出10000年的時(shí)間。
五位IBM研究人員還發(fā)表了一篇論文《Leveraging Secondary Storage to Simulate Deep 54-qubit Sycamore Circuits》來支持其看法。
對(duì)此，谷歌暫未發(fā)表評(píng)論。
下面是IBM研究博客全文：
量子計(jì)算機(jī)已開始接近經(jīng)典模擬的極限，重要的是，我們繼續(xù)對(duì)進(jìn)展進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試，并探究它們的模擬難度。這是一個(gè)有趣的科學(xué)問題。
量子計(jì)算的最新進(jìn)展產(chǎn)生了兩個(gè)53量子比特的處理器：一個(gè)是來自我們IBM集團(tuán)的處理器，另一個(gè)是谷歌泄露的論文預(yù)印本中描述的設(shè)備。
在預(yù)印本中，有人稱他們的設(shè)備達(dá)到了“量子霸權(quán)”、“一臺(tái)最先進(jìn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)將需要大約10000年的時(shí)間來執(zhí)行相同的任務(wù)”。
我們認(rèn)為，2.5天之內(nèi)在經(jīng)典（超算）系統(tǒng)上就能進(jìn)行和（和谷歌量子計(jì)算機(jī)）同一任務(wù)的理想仿真，且保真度更高。實(shí)際上，這是一個(gè)保守的、最壞的情況下的估計(jì)，而且我們期望通過進(jìn)一步的改進(jìn)，能進(jìn)一步降低模擬的成本。
因?yàn)镴ohn Preskill在2012年提出的“量子霸權(quán)”一詞的原始含義，是描述量子計(jì)算機(jī)可以完成傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法做到的事情，所以這個(gè)門檻還沒有達(dá)到。
這種“量子霸權(quán)”的特殊概念是基于執(zhí)行一個(gè)隨機(jī)量子電路，該電路的大小無法用任何可用的經(jīng)典計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真。
具體而言，谷歌的預(yù)印本展示了一個(gè)53量子比特的量子處理器的計(jì)算實(shí)驗(yàn)，該處理器實(shí)現(xiàn)了一個(gè)深度為20的超大型二量子比特（2-qubit）的量子電路，具有430個(gè)二量子比特和1113個(gè)單量子比特門，預(yù)計(jì)總保真度為0.2％ 。
他們對(duì)10000年的經(jīng)典模擬估計(jì)是基于以下觀察結(jié)果：在Schr?dinger型的模擬中存儲(chǔ)完整狀態(tài)向量的RAM內(nèi)存需求是禁止的，因此需要借助Schr?dinger-Feynman模擬來權(quán)衡空間與時(shí)間。
“量子霸權(quán)”的概念展示了量子計(jì)算機(jī)獨(dú)有的資源，比如直接達(dá)到糾纏和疊加。但是，經(jīng)典計(jì)算機(jī)擁有自己的資源，如硬件中的存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)和高精度計(jì)算、各種軟件資產(chǎn)以及廣泛的算法知識(shí)庫，在將量子（計(jì)算機(jī)）與經(jīng)典（超級(jí)計(jì)算機(jī)）進(jìn)行比較時(shí)，利用所有這些功能非常重要。
當(dāng)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)進(jìn)行比較時(shí)，他們依賴于先進(jìn)的仿真，該仿真利用了并行性、快速且無錯(cuò)誤的計(jì)算以及龐大的聚合RAM，但未能充分考慮大量的磁盤存儲(chǔ)。
相反，我們的Schr?dinger式經(jīng)典仿真方法同時(shí)使用RAM和硬盤空間，來存儲(chǔ)和操縱狀態(tài)向量。我們的仿真方法采用的性能增強(qiáng)技術(shù)包括電路劃分、張量縮并遞延、門聚合和批處理、聚合通信的精心協(xié)調(diào)以及眾所周知的優(yōu)化方法（例如緩存塊和雙緩沖），以使通信遍歷交疊于混合節(jié)點(diǎn)的CPU和GPU組件之間進(jìn)行計(jì)算。進(jìn)一步的細(xì)節(jié)可以在《Leveraging Secondary Storage to Simulate Deep 54-qubit Sycamore Circuits》論文中發(fā)現(xiàn)。
▲預(yù)期經(jīng)典計(jì)算運(yùn)行時(shí)間與“ 谷歌 Sycamore電路”的電路深度的分析。 藍(lán)線估計(jì)了一個(gè)53量子位處理器的經(jīng)典運(yùn)行時(shí)間（電路深度為20時(shí)為2.5天），而橙線則估計(jì)了一個(gè)54量子比特處理器的運(yùn)行時(shí)間。
我們的仿真方法有許多不錯(cuò)的特性，這些特性不會(huì)直接從經(jīng)典世界轉(zhuǎn)移到量子世界。例如，一旦經(jīng)過經(jīng)典計(jì)算，就可以任意多次訪問整個(gè)狀態(tài)向量。
我們的仿真方法的運(yùn)行時(shí)間與電路深度大致成線性比例（請(qǐng)參見上圖），沒有由于相干時(shí)間有限而帶來的限制。新的且更好的經(jīng)典硬件、用以更有效地利用經(jīng)典硬件的代碼優(yōu)化，更不用說利用GPU-direct通信來運(yùn)行感興趣的某種最強(qiáng)仿真，可以大大加快我們的仿真速度。
建立量子系統(tǒng)是科學(xué)和工程的壯舉，對(duì)它們進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。 谷歌的實(shí)驗(yàn)很好地展示了基于超導(dǎo)的量子計(jì)算的進(jìn)展，展示了53量子比特設(shè)備上的最新門保真度，但它不應(yīng)被視為證明量子計(jì)算機(jī)相對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)“霸權(quán)”的證據(jù)。
在量子社區(qū)中眾所周知，我們IBM擔(dān)心“量子霸權(quán)”一詞的指向性。John Preskill最近在《量子》雜志上發(fā)表的一篇有思想的文章中，討論了這一術(shù)語的起源，包括合理的辯護(hù)和對(duì)某些有爭(zhēng)議維度的坦率反思。
Preskill教授總結(jié)了對(duì)該術(shù)語的兩個(gè)主要反對(duì)意見，說“這個(gè)詞加劇了對(duì)已經(jīng)夸大其詞的量子技術(shù)現(xiàn)狀的報(bào)道”，并且“通過與白人霸權(quán)的聯(lián)系引起了令人反感的政治立場(chǎng)。 ”
兩者都是明智的反對(duì)。而且我們還要補(bǔ)充一點(diǎn)，“霸權(quán)”一詞幾乎被所有人（在可以將其置于適當(dāng)背景下的量子計(jì)算專家的稀缺世界之外）誤解了。包含“量子霸權(quán)已實(shí)現(xiàn)”的一些變體的標(biāo)題出現(xiàn)，不可避免地會(huì)誤導(dǎo)公眾。
首先，因?yàn)槿缟纤觯凑掌渥顕?yán)格的定義，該目標(biāo)尚未實(shí)現(xiàn)。但從根本上說，量子計(jì)算機(jī)永遠(yuǎn)不會(huì)取代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，而只能與它們協(xié)同工作，因?yàn)槊糠N計(jì)算機(jī)都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
由于上述原因，并且由于我們已經(jīng)有足夠的證據(jù)表明“量子霸權(quán)”一詞被廣泛誤解并引起越來越多的混亂，因此我們敦促社區(qū)處理有關(guān)量子計(jì)算機(jī)第一次做到這一點(diǎn)的主張。由于基準(zhǔn)測(cè)試一個(gè)適當(dāng)?shù)亩攘繕?biāo)準(zhǔn)很復(fù)雜，一個(gè)經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法對(duì)此質(zhì)疑。
為了使量子能夠?qū)ι鐣?huì)產(chǎn)生積極影響，當(dāng)前的任務(wù)是繼續(xù)構(gòu)建并使更廣泛可訪問的功能更強(qiáng)大的可編程量子計(jì)算系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠可再現(xiàn)且可靠地實(shí)現(xiàn)各種各樣的量子演示、算法和程序。這是在量子計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)實(shí)用解決方案的唯一途徑。
最后一點(diǎn)想法。量子計(jì)算的概念正在激勵(lì)新一代物理學(xué)家、工程師和計(jì)算機(jī)科學(xué)家，從根本上改變信息技術(shù)的格局。如果您已經(jīng)在推動(dòng)量子計(jì)算的前沿，那么請(qǐng)繼續(xù)保持勢(shì)頭。如果您是該領(lǐng)域的新手，請(qǐng)加入該社區(qū)。去吧，在今天的真實(shí)量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行您的第一個(gè)程序。
最好的還在后面。
——IBM Q的首席架構(gòu)師Dmitri Maslov也為本文做出了貢獻(xiàn)。
