盡管 22 年 5 名計(jì)算機(jī)科學(xué)家似乎攻克了這一難題，但至今我們?nèi)詿o(wú)法 get，量子計(jì)算機(jī)可以容忍多大誤差。

　　恰好，谷歌團(tuán)隊(duì)最新 Nature 論文，精準(zhǔn)描繪在隨機(jī)電路采樣（Random Circuit Sampling，RCS）實(shí)驗(yàn)中，如何實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)。

　　他們使用了名為 Sycamore 的量子計(jì)算機(jī)，來(lái)運(yùn)行簡(jiǎn)單算法 RCS，本質(zhì)上是生成一個(gè)隨機(jī)值序列。

　　通過(guò)分析 Sycamore 輸出的結(jié)果，當(dāng)其在運(yùn)行 RCS 時(shí)并在高噪聲干擾模式下，能夠被經(jīng)典超算「模擬」、超越。

　　RCS 這種全新方法，使得量子計(jì)算機(jī)性能，大幅超越經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)。與 2019 年相比，在相同保真度下，電路容積增加了一倍。

　　量子計(jì)算機(jī)概念首次被構(gòu)想出來(lái)，可以追溯到上個(gè)世紀(jì) 80 年代了。當(dāng)時(shí)，科學(xué)家們對(duì)此寄予厚望，希望其能夠解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)的難題。

　　過(guò)去 5 年來(lái)，不論是谷歌、微軟，還是 IBM 等大廠，都在研發(fā)量子計(jì)算機(jī)，以解決飽受詬病的噪聲問(wèn)題。

　　但沒(méi)過(guò)多久，谷歌這一說(shuō)法就被推翻了。因?yàn)檠芯空邆儼l(fā)現(xiàn)，經(jīng)典超算也能夠比預(yù)估更快地運(yùn)行該算法。

　　而如今，在噪聲中等規(guī)模量子（Noisy Intermediate-Scale Quantum）時(shí)代下，量子處理器展示出顯著的潛力。但它們?nèi)菀资艿诫S時(shí)間累積，并限制其有效處理量子比特?cái)?shù)量的錯(cuò)誤（即噪聲）的影響。

　　盡管量子計(jì)算中存在噪聲限制，這些 AI 系統(tǒng)能否繼續(xù)在特定應(yīng)用中，提供實(shí)際價(jià)值并超越經(jīng)典超算？

　　最新研究中，谷歌團(tuán)隊(duì)通過(guò)研究隨機(jī)電路采樣（RCS），將其作為評(píng)估量子計(jì)算機(jī)伴隨噪聲情況下，性能如何來(lái)回答這個(gè)問(wèn)題。

　　即使是量子比特噪聲微小差異，比如 99.4% 的無(wú)錯(cuò)誤率提高到 99.7%，也會(huì)導(dǎo)致 Sycamore 像是處在一種全新?tīng)顟B(tài)。

　　更形象的比喻，就像是物質(zhì)突然從固態(tài)，轉(zhuǎn)化成液態(tài)。谷歌研究人員 Boixo 解釋道，「噪聲的作用是將系統(tǒng)變得更加經(jīng)典化」。

　　研究表明，一旦運(yùn)行 67 個(gè)量子比特的升級(jí)版 Sycamore 超過(guò)某個(gè)噪聲閾值，其 RCS 輸出無(wú)法通過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬。

　　令人興奮的是，研究證明了 RCS 在大規(guī)模實(shí)驗(yàn)中可靠性。同時(shí)，意味著它可以成為，有效衡量量子計(jì)算機(jī)性能的一個(gè)指標(biāo)。

　　如前所述，Nature 研究顯示，在相同保線 年的結(jié)果增加了一倍。這意味著，谷歌量子計(jì)算機(jī)能夠處理更復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)，同時(shí)保持相同的準(zhǔn)確度。

　　正如谷歌所言，這是朝著開(kāi)發(fā)量子計(jì)算機(jī)實(shí)際應(yīng)用邁出重要的一步，為未來(lái)量子計(jì)算在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用，奠定了基礎(chǔ)。

　　Quantinuum 量子計(jì)算研究員 Michael Foss-Feig 表示，這項(xiàng)研究揭示了，量子計(jì)算機(jī)可以承受多大噪聲，并仍超越了經(jīng)典超算的性能。

　　中科大物理系教授陸朝陽(yáng)指出，經(jīng)典計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)之間的持續(xù)競(jìng)爭(zhēng)，一直是該領(lǐng)域的驅(qū)動(dòng)力。這種競(jìng)爭(zhēng)激勵(lì)研究人員構(gòu)建更大、更高質(zhì)量的量子計(jì)算機(jī)。

　　盡管如此，谷歌研究最新結(jié)果，并不代表了量子計(jì)算機(jī)將取代經(jīng)典超算。比如，Sycamore 仍無(wú)法執(zhí)行普通計(jì)算機(jī)的典型操作，比如存儲(chǔ)照片、發(fā)電子郵件。

　　RCS 基準(zhǔn)測(cè)試提出了一個(gè)被認(rèn)為對(duì)經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)難以處理的計(jì)算任務(wù)，這對(duì)于展示量子霸權(quán)（quantum advantage）或「超越經(jīng)典」能力至關(guān)重要。

　　對(duì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，挑戰(zhàn)在于信息的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng) —— 隨著量子電路規(guī)模的擴(kuò)大，描述其狀態(tài)所需的信息量會(huì)呈指數(shù)級(jí)增加。

　　這意味著，即使完全了解電路的設(shè)計(jì)（每個(gè)門及其操作），試圖完全模擬電路或從其輸出分布中采樣的經(jīng)典計(jì)算機(jī)也將難以跟上計(jì)算需求。

　　RCS 提供了對(duì)設(shè)備量子電路容積（quantum circuit volume）的全面評(píng)估，這是一種考慮電路結(jié)構(gòu)并反映模擬它所需的最小經(jīng)典資源的度量，更高的值表示計(jì)算機(jī)更強(qiáng)大。

　　研究小組利用這個(gè)基準(zhǔn)測(cè)試來(lái)確定量子計(jì)算機(jī)可能在哪些方面超越經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)，即使在存在噪聲的情況下。

　　谷歌展示了使用最好的超級(jí)計(jì)算機(jī)獲得與量子計(jì)算機(jī)類似結(jié)果所需的時(shí)間，包括兩種情況：無(wú)限內(nèi)存（三角形）和適合 GPU 內(nèi)存的可并行化計(jì)算（圓點(diǎn)）。

　　RCS 基準(zhǔn)測(cè)試的具體輸出是保真度（fidelity）的估計(jì)（一個(gè)介于 0 和 1 之間的數(shù)字），用于表征含噪聲的量子處理器的狀態(tài)與實(shí)現(xiàn)相同電路的理想無(wú)噪聲量子計(jì)算機(jī)的狀態(tài)有多接近。

　　保真度的值通過(guò)一種稱為片段交叉熵基準(zhǔn)測(cè)試（patch cross-entropy benchmarking, XEB）的技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)于大型電路，這涉及將整個(gè)量子處理器分成更小的「patches」，并計(jì)算每個(gè)片段的 XEB 保真度。

　　谷歌最新的結(jié)果顯示，電路容積（circuit volume）不僅成功地翻了一番，而且保線 年的演示相當(dāng)。

　　這意味著，我們朝著容錯(cuò)量子計(jì)算（更復(fù)雜、更實(shí)用的量子計(jì)算任務(wù)）邁出了重要一步，并證實(shí)了使用當(dāng)前含噪聲的量子設(shè)備訪問(wèn)計(jì)算復(fù)雜區(qū)域的可行性。

　　噪聲會(huì)破壞量子相關(guān)性，有效地縮小了可用的量子電路容積（quantum circuit volume）。

　　谷歌試圖了解是否可能在噪聲影響下充分利用處理器的全部量子電路容積。換言之，是否可能在更小尺寸的量子處理器上實(shí)現(xiàn)等效計(jì)算。

　　縱軸和橫軸分別對(duì)應(yīng)電路深度（周期數(shù)）和每周期錯(cuò)誤率。在噪聲足夠弱的區(qū)域（綠色），量子相關(guān)性延伸到整個(gè)系統(tǒng)，表明量子計(jì)算機(jī)發(fā)揮了全部計(jì)算能力。

　　而在強(qiáng)噪聲區(qū)域（橙色），系統(tǒng)可以近似表示為多個(gè)不相關(guān)子系統(tǒng)的乘積，因此，較小的量子計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行等效計(jì)算。在這種情況下，通過(guò)分別模擬系統(tǒng)的各個(gè)部分，可以顯著降低經(jīng)典計(jì)算的成本。

　　仿真算法關(guān)鍵依賴于強(qiáng)噪聲區(qū)域的低量子相關(guān)性特性。因此，弱噪聲和強(qiáng)噪聲區(qū)域之間存在明顯的相變意味著仿真算法在弱噪聲區(qū)域無(wú)法成功。

　　通過(guò)數(shù)值模擬，可以證明 Sycamore 處理器的參數(shù)完全處于低噪聲區(qū)域。換句話說(shuō)就是，處理器牢固地處于超越經(jīng)典（beyond classical）的區(qū)域，超出了當(dāng)前超級(jí)計(jì)算機(jī)的能力。

　　從外觀上看，谷歌 Sycamore 處理器與 PC 硅芯片相似，但它經(jīng)過(guò)特殊制造，能夠以量子精度控制流經(jīng)其中的電子。

　　為了減少可能破壞的電子微妙狀態(tài)，并引入噪聲的溫度波動(dòng)，芯片被維持在接近絕對(duì)零度的超低溫環(huán)境中。

　　與普通計(jì)算機(jī)使用經(jīng)典比特（始終為 0 或 1）不同，量子芯片依賴于量子比特（qubit），利用電子處于混合狀態(tài)的能力。

　　舉例來(lái)說(shuō)，要運(yùn)行 RCS 算法，經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要 1,024 個(gè)比特，而量子計(jì)算機(jī)只需要 10 個(gè)量子比特。

　　2019 年那次研究，谷歌 Nature 論文表明，經(jīng)典超算是需要 1 萬(wàn)年，才能完成 53 量子比特計(jì)算機(jī)，僅在 200 秒內(nèi)就運(yùn)行了 RCS 算法。然而，這一說(shuō)法受到業(yè)界質(zhì)疑，有的科學(xué)家表示，1 萬(wàn)年也極其夸張。

　　更令人驚訝，今年 6 月，陸朝陽(yáng)團(tuán)隊(duì)使用強(qiáng)大的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，在僅僅一分鐘內(nèi)就完成了這個(gè)結(jié)果的仿真。

　　谷歌研究人員希望，在未來(lái)量子計(jì)算機(jī)將變得足夠大、足夠無(wú)錯(cuò)誤，以徹底超越量子-經(jīng)典之爭(zhēng)（quantum–classical war）。然而目前，他們?nèi)栽诶^續(xù)這場(chǎng)激烈的競(jìng)爭(zhēng)。

　　Boixo 總結(jié)道，「如果你無(wú)法在 RCS 這個(gè)最簡(jiǎn)單的應(yīng)用中獲得優(yōu)勢(shì)，我認(rèn)為你在任何其他應(yīng)用中都無(wú)法取得勝利」。

　　本文來(lái)自微信公眾號(hào)：微信公眾號(hào)（ID：null），作者：桃子、好困，原標(biāo)題《時(shí)隔 5 年，谷歌再創(chuàng)量子霸權(quán)里程碑！RCS 算法讓電路體積增加一倍》

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