【基础科研】Google的量子霸权是怎么回事？（2019/09/25）

前天有读者在访客簿（顺便提一下，请大家尽可能在文章下的留言栏做讨论，只有在《UDN》的系统出问题，无法正常留言的前提下，才选择访客簿）上提问，说Google刚宣称的“量子霸权”（“Quantum Supremacy”）是怎么一回事？当时我説：“要嘛是谣言，要嘛是一个毫无实际意义的程序，专爲创纪录而创纪录。”

现在有了更清楚的消息（参见Scott Aaronson的博客https://www.scottaaronson.com/blog/?p=4317；Aaronson是知名的量子计算专家，并且参与了Google的这个研究计划），我可以给出更精确的答案，也就是上述两个可能中的后者。这是一个毫无实际意义的结果，而且有相当严重的假大空成分。

首先，我们先解释一下什么是“量子霸权”；它指的是量子计算机在某个程序上能比现有的古典电脑高效许多。请注意，这个定义并不要求那个程序有任何实际意义或价值，所以我一开始就疑心Google团队鑽的是这个漏洞。

结果果然是如此。Google选择的程序是先随机产生一串长度为N（Aaronson说N大约为20）的量子位元串列，其间可能有各式各样的量子纠缠，然后不断複製这个串列，再让複製版塌缩形成长度为N的古典位元，那么这些古典位元就是随机但并不完全独立，而是有由量子纠缠来决定的複杂相关性（Correlation）。这有什么用呢？一点用处都没有，就像你随便建造出一个複杂而没有规律的机器，然后说它在产生独特的噪音上，有无可比拟的效率。

事实上，Google的这个“成就”，比毫无实用价值还要糟糕。要理解这一点，我们先回顾一下当前量子计算界的处境。现在的世界记录是不到100个量子位元；但是这些位元很不稳定，非常容易与周围的巨观环境起作用而丧失量子态，这是我以前详细讨论过的量子退相干过程（Quantum Decoherence）。要知道计算的输出（Output）是程序逻辑的结果，而不是量子噪音的后果，就必须有纠错机制。

目前人类所知的量子纠错机制，必须用上80-10000个原始的量子位元，才能产生1个稳定可靠的位元（叫做逻辑位元，Logical Bit）。世界记录是连1个逻辑位元都没有的。

Google的这个“突破”，第一个巧妙之处在于用的是内生的（Endogenous）随机量子态，而不是事先指定的（亦即Exogenous，外源性的）串列。虽然Google团队可以试图去影响这些原始量子位元之间的纠缠，实际上是否成功，完全无法验证。

Google用了50-60个量子位元来储存这个量子串列，并且不断複製再塌缩。这显然并没有解决纠错的基本难关，其结果自然无法确认量子态在程序过程中被正确保存了，还是纯属噪音。

所以Google团队就先用古典电脑算出他们计划中的量子纠缠应该会产生的相关性，接著反复地用量子计算机跑这个程序，一直到它产生同样的相关性结果爲止。这时他们比较两者跑单次程序所花的时间，然后宣称量子计算机大获全胜。

至此，理工科的读者应该理解到问题有多大。首先，相关性关係里的自由度（Degrees of Freedom）远低于原系统，所以只用相关性结果来验证程序的正确性，完全可能是统计上的偶然。

但是更基本的毛病，在于Google的量子计算机并无法自行保证结果是正确的，只有在古典电脑已经给出结果之后，才能做比较。一个有相当大而且不可预知的可能性会输出噪音的计算机，不止是没有实用价值，根本就没有任何意义。这是标准的假大空，不是学术界可以容许的做法。Google是一个商业机构，做虚僞广告是本行，但是量子计算界不应该受商业资金的收买，学术道德也不能待价而沽。

【后注】因为Aaronson的博文对若干细节语焉不详，我必须依照科学原理来做推测，现在有更新的文章，似乎是有一点差异，亦即谷歌的系统比我想象的还要简单，连“复制“的那一步都做不到，而只是反复地随机产生量子位元，然而塌缩。这对接下来的评论并没有影响，谷歌仍然是先射箭，再画靶，而且也没有纠错机制，如果没有古典电脑的验证，就不知道结果是否正确。