量子霸权：谷歌2019年的里程碑宣称了什么，IBM为何反驳

谷歌的说法建立在一个数字上：200秒对大约1万年。论文于2019年9月20日发布在NASA.gov上，《财富》报道了此事。谷歌研究人员写道，他们的处理器采样一次量子电路的一百万个样本约需200秒，而最先进的超级计算机完成同等任务大约需要1万年。这一比较正是“量子霸权”一词的全部依据。所谓量子霸权，指的是一台量子机器解决经典计算机在任何实际时间内都无法解决的问题。

这台机器叫Sycamore，拥有53个量子比特。谷歌此前设计过一台72量子比特的设备，名为Bristlecone，后来缩小了规模。研究人员还估计，在谷歌云服务器上运行同一实验需要50万亿小时，而在量子处理器上只需30秒。

起初谷歌并未证实任何相关内容。一位发言人拒绝确认论文及其结果的真实性，NASA也没有立即回应置评请求。一位了解情况的谷歌消息人士表示，NASA可能提前误发了论文，当时团队的结论尚未经过科学同行评审的充分检验，这一过程可能需要数周到数月。最先报道此事的是《金融时报》。

两年的铺垫

至少从2017年起，谷歌就一直在释放这一目标的信号。当年4月，《麻省理工科技评论》报道称，领导谷歌研究小组的John Martinis只给自己几个月时间，去实现计算史上的一个里程碑。Martinis于2014年底从加州大学圣塔芭芭拉分校加入谷歌，至今仍在该校任教授。他约25人的团队当时造出了一枚六量子比特芯片，采用二乘三的排布。这枚芯片测试了一种制造方法：量子比特与控制它们的常规线路分置于不同芯片，之后再通过凸点键合连接。这样做的目的是消除会干扰量子比特工作的多余控制线。

“整个流程都在正常运转，”Martinis当时对《麻省理工科技评论》说。“现在我们准备好加快节奏了。”他说30到50量子比特设备的设计已经在进行中，而他的量子霸权实验需要49量子比特的阵列。到2017年12月，他在NASA Ames的Q2B会议上发言时警告，不要把进展等同于量子比特数量。Gizmodo引述他的话说：“新闻稿总是用量子比特数量来谈量子竞赛。这不仅仅是数量问题，更是量子比特的质量问题。”Gizmodo报道称，谷歌当时正在制造其49或50量子比特设备，并将在两周内开始测试。

其他公司也在同一领域推进。IBM于2017年11月宣布，其科学家已制造并测量出一枚50量子比特的处理器原型。领导IBM量子计算与人工智能研究部门的Dario Gil称，这是首次有公司造出这一规模的量子计算机。未参与IBM研究的麻省理工学院机械工程教授Seth Lloyd表示，IBM可能仍有小故障需要解决，但这一宣布是重大进展的标志。

谷歌论文曝光后，时任IBM Research负责人的Dario Gil主张根本不应把量子霸权当作衡量标准。“这项实验和‘霸权’一词会被几乎所有人误解，”他对《财富》说。他称这是高度特殊的实验室实验，没有实际应用。“量子计算机永远不会对经典计算机‘称霸’，而是会与它们协同工作，因为各有独特优势。”

在《自然》上得到确认，以及它不意味着什么

2019年10月23日，谷歌博客确认《自然》在其150周年纪念刊上发表了这一结果。博客称这次测试计算耗时200秒，重申最强大的超级计算机上已知最好的算法需要数千年，并称这是该领域等待已久的“hello world”时刻。博客还明确表示，从实验室实验到实际应用还有很长的路要走，要能实现更广泛的实际应用还需许多年。

谷歌自己的研究人员在论文中也提出了类似观点。“我们距离有价值的近期应用只差一个有创意的算法，”他们写道。博客提到这是一项历时13年的努力：Hartmut Neven在2006年开始探索将量子计算用于机器学习，Martinis及其圣塔芭芭拉团队于2014年加入，两年后Sergio Boixo发表论文，把工作聚焦到量子霸权这一界定明确的计算任务上。

外部研究人员早已把这个里程碑和营销宣传区分开来。马里兰大学教授、量子计算初创公司IonQ联合创始人Chris Monroe在2017年对《麻省理工科技评论》说，完成这项实验意味着什么：“这会是一个学术里程碑。之后你还得想办法让它更具可扩展性和可编程性。”英特尔实验室量子硬件总监Jim Clarke称谷歌2019年的更新是“一个值得注意的里程标志”，并表示商用可行的量子计算机首先需要许多研发进展。“虽然开发仍处在这场马拉松的第一英里，我们坚信这项技术的潜力，”他说。

容易被忽略的限定词是规模。《麻省理工科技评论》指出，量子处理器要能完成有用的工作，规模需远大于50量子比特。霸权实验之所以被设计成对经典机器很难，恰恰因为它不是一个有用的工业问题。它通过一个涉及量子现象的特殊场景采样随机生成的数字，计算某些特殊电路的输出，而不是解决企业需要解决的任何问题。

这就是IBM不断推行另一把尺子的原因。据ZDNET报道，到2019年3月，IBM公布其当时最高的量子体积。这一性能指标综合了量子比特数量、连通性、相干时间、门与测量误差、器件串扰以及电路软件编译器效率。IBM称其搭载20量子比特处理器的Q System One量子体积为16，是当时IBM Q的8的两倍。该公司表示，量子体积需要每年翻倍，才能在未来十年内达到量子优势，即量子应用相对经典计算机带来显著优势的节点。自2017年以来，IBM每年将其量子计算机的算力翻倍。

谷歌对这一时刻的表述更为宏大。博客把它比作造出第一枚脱离地球引力、触及太空边缘的火箭，以及随后出现的关于为何要去那里的疑问。“它向我们展示了什么是可能的，并把看似不可能的事推进了视野，”博客写道。论文作者更进一步，预测量子计算能力将以双指数速度增长，甚至超过定义摩尔定律的指数速度。

同行评审的提醒从未从这件事中完全消失，但《自然》的发表解决了结果是否会得到正式检验的问题。它没有解决的是关于这个词的争论。谷歌自己的博客称量子霸权是一个含义狭窄的专业术语。IBM的反对意见是，这个狭窄含义会被读成宽泛含义，而此后该领域一直伴随着这种读法。