谷歌53量子比特Sycamore与IBM的50量子比特原型：量子里程碑竞赛如何展开

谷歌称之为量子霸权。IBM称之为没有实际应用的实验室实验。两者说的是同一个2019年的结果，而在此之前，两家公司都已经为此投入了数年。

据《财富》杂志2019年9月获得的论文，谷歌的Sycamore处理器包含53个量子比特。公司称，该机器约200秒完成一个量子电路一百万次的采样，而最先进的超级计算机完成同等任务大约需要1万年。研究人员估计，同样的任务在谷歌云服务器上要运行50万亿小时。而在量子处理器上，他们称只用了30秒。

这篇论文曾出现在NASA.gov上，随后被撤下。《财富》报道称，《金融时报》最先披露此事。谷歌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不小心提前发表了论文，当时团队的结论尚未经过科学同行评审，而这一过程可能需要数周或数月。

从六个量子比特到霸权目标

这个结果并非凭空出现。2017年4月，《麻省理工科技评论》报道称，谷歌量子研究团队负责人John Martinis给自己定下的期限是当年年底之前演示量子霸权，即完成任何传统计算机都无法企及的计算。Martinis说，实验将让谷歌的芯片与世界上最大的超级计算机之一对决。

当时谷歌最新的芯片有六个量子比特，排成两行三列。Martinis说，这种布局表明，量子比特并排放置时技术仍然可行，而在更大的设备中它们也会这样排列。该芯片还测试了一种制造方法：量子比特与其常规控制线路分别在不同的芯片上制造，之后再通过凸点键合连接。这种方法意在去掉可能干扰量子比特运行的额外控制线。

“整个流程都运转正常，”Martinis对《麻省理工科技评论》说。“现在我们准备加快节奏了。”他说，30到50个量子比特的设备设计已经在推进，而霸权实验需要49个量子比特组成的网格。谷歌此前曾公布过一个排成一线的九量子比特芯片的结果。

Martinis于2014年底从加州大学圣巴巴拉分校加入谷歌，仍保留教授职位。到2017年那篇文章发表时，他的团队约有25人。麻省理工学院的Simon Gustavsson对该刊表示，谷歌是该领域的领先者之一，这场竞赛“谷歌和IBM旗鼓相当”。

马里兰大学教授、初创公司IonQ联合创始人Chris Monroe则更为谨慎。“这会是一个学术里程碑，”他谈到霸权目标时说。“之后你仍然得想办法让它更具可扩展性和可编程性。”Martinis同意还有很多工作要做，但认为这项实验可以成为任何声称拥有可用量子计算机者的基准。

IBM的50量子比特，以及关于“霸权”一词的争论

在谷歌瞄准的这个数字上，IBM先走了一步。2017年11月，美联社报道称，IBM科学家已构建并测量了一个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说，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对美联社说，IBM可能仍有故障需要排除，但50量子比特的宣布是重大进展的标志。

不到一个月后，在NASA Ames举行的Q2B会议上，Martinis反对把量子比特数量当作记分牌。“新闻稿总是用量子比特数量来谈量子太空竞赛，”据Gizmodo报道，他说。“这不只是数量问题，还有量子比特质量。”他说，谷歌当月正在制造49或50量子比特的霸权设备，撇开圣诞假期延误，两周内就会开始测试。

Gizmodo的报道描述了谷歌打算运行的题目：让量子比特纠缠，让系统演化，然后测量。最终状态以不同概率取不同值，而算清所有可能结果极为困难，经典计算机必须模拟这台量子机器，可能要花数周才能完成量子计算机几分钟内做完的事。这项练习检验的不只是量子比特数量，还有量子比特质量，因为量子比特不能给出错误的值，也不能因与环境相互作用而退相干成普通比特。

这次会议吸引了汽车和航空公司、银行、软件公司和军方的代表。大众、空客、花旗银行、艾默生和欧洲IT公司Atos都在场，此外还有风险投资公司。加州理工学院理论物理学家John Preskill对听众说，该领域正进入他所说的NISQ时代，即含噪声中等规模量子计算机时代，并说朝着容错机器前进的步伐必须继续。

量子体积与长达十年的等待

IBM对量子比特计数的回应出现在2019年3月。在美国物理学会三月会议上，该公司公布了其迄今最高的量子体积。这一指标综合了量子比特数量、连通性和相干时间，同时计入门和测量误差、器件串扰以及编译器效率。

IBM称，其围绕20量子比特处理器构建的Q System One实现了16的量子体积，是当时IBM Q数值8的两倍。公司还说，该系统拥有其测量到的一些最低错误率。

ZDNet报道了IBM的预测：量子体积需要每年翻一番，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那个点。IBM说，自2017年以来，公司每年将其量子计算机的能力翻倍。它于2016年通过云服务开放量子技术，并与合作伙伴在商业和科学用例上展开合作。

这一框架为谷歌2019年9月论文之后的争论埋下伏笔。当时已担任IBM Research负责人的Dario Gil建议不要用量子霸权作为进展指标。“这个实验和‘霸权’一词几乎会被所有人误解，”他对《财富》说，并把这项工作描述为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‘统治’经典计算机，而是会与它们协同工作，因为各有各的独特优势。”

英特尔实验室量子硬件总监Jim Clarke称谷歌的进展是“一个值得注意的里程标”，并说商业上可行的量子计算机还需要多得多的研发突破。“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。

论文声称了什么，没有声称什么

谷歌研究人员写道，量子加速在真实系统中可以实现，并且不受任何隐藏物理定律的阻碍。他们预测量子计算能力将以双指数速度增长，快于定义摩尔定律的指数速度。他们还写道，量子计算正在从研究课题转变为释放新计算能力的技术，“我们距离有价值的近期应用只差一个有创意的算法”。

这台机器在量子比特数量上比早先的设计有所缩减。谷歌此前设计过名为Bristlecone的72量子比特设备，但为这次实验缩减到53量子比特的Sycamore。

公司早先的公开表态值得与2019年的说法放在一起看。2017年，Martinis说量子处理器要远大于50量子比特才能做有用的工作。Monroe关于霸权将是学术里程碑、可扩展性和可编程性仍待解决的判断，论文中没有任何内容予以否定。

谷歌自己的发言人拒绝确认论文真实性，短暂托管过论文的NASA保持沉默。公司消息人士说，同行评审可能需要数周或数月。最先到达公众的结果来自泄露，而不是期刊。

按记录所示，这场里程碑竞赛的轮廓就是这样：IBM在2017年11月拿出50量子比特原型，谷歌在2019年9月提出53量子比特的霸权主张，中间还夹着一场关于量子比特数量还是量子比特质量才是关键数字的指标之争。正如Gizmodo从Q2B会场发回的报道所说，企业被告知实际应用可能还要几十年。IBM自己的预测是，如果量子体积保持每年翻番，量子优势将在十年内到来。

两家公司都在继续建设。关于该把结果叫什么，这场争论很可能比产出它的硬件活得更久。