量子計算的新曙光可能沒有我們想象的那麼近。
9月下旬，一篇來自Google的未發表論文被洩露，聲稱已經達到了量子霸權：全球最大的傳統超級計算機、IBM的Summit要用1萬年解決的問題，Google的量子計算機在3分20秒內就能算出。
但IBM研究人員的最新研究表明，Google並未充分利用超級計算機的存儲潛力，所以上述說法可能站不住腳。
IBM團隊在一篇博客文章中寫道:“在一個經典的系統上，同樣的任務的理想模擬可以在2.5天內完成，而且保真度要高得多。”“這實際上是一個保守的、最壞情況的估計，我們預計，隨著進一步的改進，模擬的成本可以進一步降低。”
這意味著谷歌實際上並沒有表現出量子霸權，而且競爭仍在繼續。Google對此並未立即回覆。
美國路易斯安那州立大學教授喬納森·道林（Jonathan Dowling）說，目前，IBM似乎有一些優勢。谷歌選擇了一個他們認為在經典機器上很難解決的問題，但現在IBM已證明這個問題沒有谷歌想象的那麼難。
量子計算機已開始接近經典模擬的極限，重要的是，我們必須繼續對進展進行基準測試，並瞭解它們的模擬難度，這是一個有趣的科學問題。
量子計算的最新進展產生了兩個53量子位的處理器：一個是來自我們IBM小組的，另一個是Google洩露的論文中描述的設備。在論文中，他們認為自己的設備達到了“量子霸權”，而“一臺最先進的超級計算機將需要大約1萬的時間來執行相同的任務。”
我們認為，對同一任務進行理想的模擬，可以在2.5天之內在經典系統上完成，並且保真度更高。實際上，這是一個保守的、最壞情況下的估計，並且我們期望通過進一步的改進，可以進一步降低模擬的成本。
因為約翰·普雷斯基爾（John Preskill）在2012年提出的“量子霸權”一詞的原始含義是描述量子計算機可以完成經典計算機無法做到的事情，所以這個界限還沒有達到。
這種特殊的“量子霸權”概念是建立在執行一個隨機的量子電路的基礎上的，這個電路的大小對於任何可用的經典計算機的模擬都是不可行的。
具體來說，論文展示了一個在53量子位量子處理器上的計算實驗，該處理器實現了一個令人印象深刻的超大型雙量子位量子電路，深度為20，有430個二量子位和1,113個單量子位門，預測總保真度為0.2%。
他們對10,000年的經典模擬估計是基於以下觀察:在schrodinger類型的模擬中，存儲完整狀態向量的RAM內存需求將是不可接受的，因此需要使用Schrodinger-Feynman模擬來權衡空間和時間。
“量子霸權”的概念展示了量子計算機特有的資源，如直接訪問糾纏和疊加。然而，經典計算機有自己的資源，比如存儲器的層次結構和硬件中的高精度計算，各種軟件資產以及廣泛的算法知識庫，在將量子與經典進行比較時，利用所有這些功能非常重要。
在與經典方法進行比較時，他們使用了一種先進的模擬方法，該方法利用了並行性、快速且無錯誤的計算和大的聚合RAM，但是沒有充分考慮大量的磁盤存儲。相比之下，我們的schrodinger風格的經典仿真方法同時使用RAM和硬盤空間來存儲和操作狀態向量。
我們的模擬方法採用的性能增強技術包括電路劃分，張量收縮遞延，門聚合和批處理，集體通信的精心編排以及眾所周知的優化方法（例如緩存塊和雙緩衝）以使通信遍歷重疊在混合節點的CPU和GPU組件之間進行計算。
圖1.分析“ Google Sycamore Circuits”的預期經典計算運行時間與電路深度的關係。底線（藍色）估計了一個53量子位處理器的經典運行時間（電路深度為20時為2.5天），而上排（橙色）則估計了一個54量子位處理器的運行時間。
我們的模擬方法具有許多不錯的特性，這些特性不會直接從經典世界轉移到量子世界。例如，一旦經過經典計算，就可以任意多次訪問完整狀態向量。我們的模擬方法的運行時間與電路深度大致成線性比例關係（請參見上面的圖1），由於相干時間有限，因此沒有任何限制。
新的更好的經典硬件，更有效地利用經典硬件的代碼優化，不用說利用GPU-direct通信來運行有趣的高級模擬的潛力，可以極大地加速我們的模擬。
建立量子系統是科學和工程的壯舉，對它們進行基準測試是一個巨大的挑戰。Google的實驗很好地展示了基於超導的量子計算的進展，展示了53量子位設備上的最新門保真度，但它不應被視為證明量子計算機相對於經典計算機“霸權”的證據。
眾所周知，在量子領域，我們IBM關注的是“量子霸權”一詞的去向。John Preskill最近在Quanta雜誌上發表了一篇頗有見地的文章，討論了這個詞的起源，包括合理的辯護和對一些有爭議的方面的坦率反思。
Preskill教授總結了公眾對這個詞的兩個主要反對意見，他解釋說，這個詞“加劇了已經被過度炒作的對量子技術現狀的報道”，而且“通過與白人至上的聯繫，引發了令人反感的政治立場”。
這兩種反對都是合理的。我們還要補充一點，“霸權”一詞正被幾乎所有人所誤解。包括一些“量子霸權的實現”及其變體的標題黨幾乎是不可抗拒，但它將不可避免地誤導公眾。
首先，正如我們在上面所爭論的那樣，根據其最嚴格的定義，這一目標尚未實現。但更重要的是，因為量子計算機永遠不會“凌駕”於經典計算機之上，而是與它們協同工作，因為每種計算機都有其獨特的優勢。
為了讓量子對社會產生積極的影響，未來的任務是繼續構建和製造更強大的可編程量子計算系統，這些系統可再現、可靠地實現各種量子演示、算法和程序。這是在量子計算機中實現實際解決方案的唯一途徑。
參考鏈接：
https://www.ibm.com/blogs/research/2019/10/on-quantum-supremacy/
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