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作者：刘静
编辑：李尔客
图灵联邦编辑部出品
量子计算的新曙光可能没有我们想象的那么近。
9月下旬，一篇来自Google的未发表论文被泄露，声称已经达到了量子霸权：全球最大的传统超级计算机、IBM的Summit要用1万年解决的问题，Google的量子计算机在3分20秒内就能算出。
但IBM研究人员的最新研究表明，Google并未充分利用超级计算机的存储潜力，所以上述说法可能站不住脚。
IBM团队在一篇博客文章中写道:“在一个经典的系统上，同样的任务的理想模拟可以在2.5天内完成，而且保真度要高得多。”“这实际上是一个保守的、最坏情况的估计，我们预计，随着进一步的改进，模拟的成本可以进一步降低。”
这意味着谷歌实际上并没有表现出量子霸权，而且竞争仍在继续。Google对此并未立即回复。

美国路易斯安那州立大学教授乔纳森·道林（Jonathan Dowling）说，目前，IBM似乎有一些优势。谷歌选择了一个他们认为在经典机器上很难解决的问题，但现在IBM已证明这个问题没有谷歌想象的那么难。
以下是IBM发表的博客全文：
量子计算机已开始接近经典模拟的极限，重要的是，我们必须继续对进展进行基准测试，并了解它们的模拟难度，这是一个有趣的科学问题。
量子计算的最新进展产生了两个53量子位的处理器：一个是来自我们IBM小组的，另一个是Google泄露的论文中描述的设备。在论文中，他们认为自己的设备达到了“量子霸权”，而“一台最先进的超级计算机将需要大约1万的时间来执行相同的任务。” 
我们认为，对同一任务进行理想的模拟，可以在2.5天之内在经典系统上完成，并且保真度更高。实际上，这是一个保守的、最坏情况下的估计，并且我们期望通过进一步的改进，可以进一步降低模拟的成本。
因为约翰·普雷斯基尔（John Preskill）在2012年提出的“量子霸权”一词的原始含义是描述量子计算机可以完成经典计算机无法做到的事情，所以这个界限还没有达到。
这种特殊的“量子霸权”概念是建立在执行一个随机的量子电路的基础上的，这个电路的大小对于任何可用的经典计算机的模拟都是不可行的。
具体来说，论文展示了一个在53量子位量子处理器上的计算实验，该处理器实现了一个令人印象深刻的超大型双量子位量子电路，深度为20，有430个二量子位和1,113个单量子位门，预测总保真度为0.2%。
他们对10,000年的经典模拟估计是基于以下观察:在schrodinger类型的模拟中，存储完整状态向量的RAM内存需求将是不可接受的，因此需要使用Schrodinger-Feynman模拟来权衡空间和时间。
“量子霸权”的概念展示了量子计算机特有的资源，如直接访问纠缠和叠加。然而，经典计算机有自己的资源，比如存储器的层次结构和硬件中的高精度计算，各种软件资产以及广泛的算法知识库，在将量子与经典进行比较时，利用所有这些功能非常重要。
在与经典方法进行比较时，他们使用了一种先进的模拟方法，该方法利用了并行性、快速且无错误的计算和大的聚合RAM，但是没有充分考虑大量的磁盘存储。相比之下，我们的schrodinger风格的经典仿真方法同时使用RAM和硬盘空间来存储和操作状态向量。
我们的模拟方法采用的性能增强技术包括电路划分，张量收缩递延，门聚合和批处理，集体通信的精心编排以及众所周知的优化方法（例如缓存块和双缓冲）以使通信遍历重叠在混合节点的CPU和GPU组件之间进行计算。
图1.分析“ Google Sycamore Circuits”的预期经典计算运行时间与电路深度的关系。底线（蓝色）估计了一个53量子位处理器的经典运行时间（电路深度为20时为2.5天），而上排（橙色）则估计了一个54量子位处理器的运行时间。
我们的模拟方法具有许多不错的特性，这些特性不会直接从经典世界转移到量子世界。例如，一旦经过经典计算，就可以任意多次访问完整状态向量。我们的模拟方法的运行时间与电路深度大致成线性比例关系（请参见上面的图1），由于相干时间有限，因此没有任何限制。
新的更好的经典硬件，更有效地利用经典硬件的代码优化，不用说利用GPU-direct通信来运行有趣的高级模拟的潜力，可以极大地加速我们的模拟。
建立量子系统是科学和工程的壮举，对它们进行基准测试是一个巨大的挑战。Google的实验很好地展示了基于超导的量子计算的进展，展示了53量子位设备上的最新门保真度，但它不应被视为证明量子计算机相对于经典计算机“霸权”的证据。
众所周知，在量子领域，我们IBM关注的是“量子霸权”一词的去向。John Preskill最近在Quanta杂志上发表了一篇颇有见地的文章，讨论了这个词的起源，包括合理的辩护和对一些有争议的方面的坦率反思。
Preskill教授总结了公众对这个词的两个主要反对意见，他解释说，这个词“加剧了已经被过度炒作的对量子技术现状的报道”，而且“通过与白人至上的联系，引发了令人反感的政治立场”。
这两种反对都是合理的。我们还要补充一点，“霸权”一词正被几乎所有人所误解。包括一些“量子霸权的实现”及其变体的标题党几乎是不可抗拒，但它将不可避免地误导公众。
首先，正如我们在上面所争论的那样，根据其最严格的定义，这一目标尚未实现。但更重要的是，因为量子计算机永远不会“凌驾”于经典计算机之上，而是与它们协同工作，因为每种计算机都有其独特的优势。
为了让量子对社会产生积极的影响，未来的任务是继续构建和制造更强大的可编程量子计算系统，这些系统可再现、可靠地实现各种量子演示、算法和程序。这是在量子计算机中实现实际解决方案的唯一途径。
参考链接：https://www.ibm.com/blogs/research/2019/10/on-quantum-supremacy/
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