Google 量子霸權論文 200 秒對一萬年

Google 在 2019 年 10 月 23 日發表量子霸權論文

Google AI Quantum 團隊在 2019 年 10 月 23 日於《自然》（Nature）期刊發表論文〈Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor〉，刊於第 574 卷第 505 至 510 頁，宣布以超導量子處理器 Sycamore 完成一項古典電腦難以模擬的計算。Google 在同日的官方網誌指，該機器用 200 秒完成目標計算，而根據實驗中的量度推算，當時全球最快的超級電腦要 10,000 年才能產生同樣結果。

量子位元（qubit，量子電腦的基本單位，與傳統位元只有 0 或 1 不同，可同時處於兩種狀態的疊加）是整件事的關鍵。該論文指，Sycamore 用的是超導電路製成的 transmon 量子位元，工作頻率在 5 至 7 GHz。

Sycamore 是 54 個量子位元的晶片，實驗實際用 53 個

Google 在網誌指，Sycamore 是一塊完全可程式化的 54 量子位元處理器，量子位元排成二維方格，每個與相鄰四個相連，連通度足以令整塊晶片的狀態無法被古典電腦有效模擬。該論文指，實驗中正常運作的是 53 個量子位元，對應的狀態空間是 2 的 53 次方，約 9,007 萬億種可能結果；Google 在網誌中把這個規模寫成 1 億億。

同一篇網誌指，實驗成功來自改良後的雙量子位元閘，團隊加入一種可以關掉相鄰量子位元之間互動的控制方式，以減少多重連接下的誤差，並修改晶片設計以降低串擾。

實驗的測試方法是隨機電路取樣

Google 在網誌指，基準測試的做法是在量子電腦上執行一段隨機排列的閘運算，每次執行輸出一串位元，例如 0000101；由於量子干涉，某些位元串出現的機會遠高於其他，而要在古典電腦上找出最有可能的位元串，難度隨量子位元數目及閘層數呈指數上升。該論文指，Sycamore 對一條電路取樣一百萬次用了約 200 秒，結果以交叉熵基準測試（比較實際輸出分佈與理論分佈的差距）驗證。

同一篇網誌指，團隊先由 12 個量子位元起逐步加到 53 個，以古典模擬核對機器表現，確認系統正常後才執行古典模擬無法應付的電路。Google 稱該結果是對延伸邱奇圖靈論題的首個實驗挑戰。

IBM 在前一日反駁，稱古典電腦 2.5 天可以做完

IBM 研究人員 Edwin Pednault、Dmitri Maslov、John Gunnels 及 Jay Gambetta 在 2019 年 10 月 22 日於 IBM Quantum 網誌發表〈On "quantum supremacy"〉，指同一項計算可以在古典系統上以 2.5 天完成，保真度而且高得多，並稱那是保守的最壞情況估算。該文指，Google 的 10,000 年估算建立在要把完整狀態向量存進記憶體的假設上，因此必須改用以空間換時間的模擬方法，而 IBM 的做法同時用記憶體與硬碟儲存狀態向量。

該文亦指，量子霸權一詞由 John Preskill 在 2012 年提出，原意是量子電腦做到古典電腦做不到的事，按這個定義門檻並未被跨過。文中把 Google 論文的電路寫成深度 20、430 個雙量子位元閘及 1,113 個單量子位元閘，預計總保真度 0.2%。

論文當時寫明的第一個應用是可認證隨機數

該論文指，當時的機器屬於含噪中等規模量子（NISQ）階段，即量子位元數目有限、誤差仍未靠糾錯壓下去的階段，而隨機電路取樣可以直接用作一項應用，就是產生可認證的隨機數。論文亦指，團隊量度雙量子位元閘的誤差，足以預測整條量子霸權電路的基準測試結果，顯示沒有額外的物理效應拖低機器表現。

來源

• Quantum supremacy using a programmable superconducting processor（Nature，原始論文）
• Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor（Google Research）
• On "quantum supremacy"（IBM Quantum）