量子物理專欄｜論 Google 的量子霸權實驗 ( Quantum Supermacy )

本文為專欄作者《凝視奇點的物理學徒》所著，作者大學時修習「物理和經濟」，現為新加坡國立大學「量子物理博士生」。是個希望「生活在位元世界，而非原子世界的奇點主義者」。

上個月，NASA 「外洩」了Google量子霸權的實驗論文，從那之後，我便開始瘋狂地被相關的中英文消息洗版（甚至有人來私訊問評論）；於是，我花了些時間把論文看看，找找到底有什麼有趣的細節，希望大家看了可以獲得一些收穫！

這年頭上網之後又說被撤下的東西通常還是找得到的，以下附上論文連結
（10/26 日更新）NASA 已於 10/23 在《Nature》期刊正式發表這份不小心洩漏的《量子霸權》論文

背景

首先，先帶大家來看看其中的背景觀念：「量子霸權的概念到底要怎麼定位？」

針對此事，我個人會說：他是個極為「人為」所建構出來的目標 —— 此次 Google 實驗室「透過量子電腦運行複雜的量子邏輯閘最終獲得的答案機率分佈」。

即使無法被古典電腦精確模擬，這個實驗也不具有什麼物理學上或者實際科技應用上的價值。

甚至相較於此實驗，物理上做出的「logcial qubit」或是「error correction code」都較此更具意義；在科學的應用層面，這次的實驗結果，也比不上透過量子模擬獲得分子能階，甚至是直接去攻克名聞遐邇的 *Shor Algorithm。

*Shor Algorithm：Shor 演算法是個著名的「量子演算法」，其顯示量子電腦可以破解現行常見的演算法，如「非對稱加密技術」如「RSA 加密」和「橢圓加密」。對於網際網路的通訊安全有強烈威脅，長期來說代表現行的電子郵件、線上金融和分散式帳本的數位簽章都必須升級到後量子密碼學。

即便如此，這也不代表本次 Google 的實驗沒有實際價值，至少他證明了「量子電路的結果分佈無法被古典電腦有效模擬」，這讓「量子計算」終於走出了古典的框架邁入新天地，這也正是本次實驗所建立的里程碑。

Google 這次的嘗試證明了：在資訊科學上「Extented Church-Turing Thesis 終於被違反」，這使本次 Google 的實驗仍舊具有前瞻、畫大餅和歷史紀念的意義。

*Extented Church Turing Thesis：廣義邱奇-圖靈定理，在資訊科學中假設任何合理的計算模型都可以被圖靈機有效模擬（後者和我們的電腦傳統等價），定理被違反說明有比圖靈機更強的計算模型存在，在這個例子中是量子電腦

接下來，就讓我們來談談論文本身的核心成就。

通過重複運行 53 個量子位元產生的量子電路為一個週期，Google AI Quantum Lab 證明了：只要反覆循環這個週期超過12次以上，就會讓古典電腦的精確模擬變成不可行。
作者註：12 個週期需要超級電腦模擬「一週」；14個週期需要「四年」；16個週期則需要「六百年」。
（最大的電路是1113 Single Qubit Rotation and 430 Two qubit Entanglement）

其實，早在去年，Google 便曾有過類似的實驗。

只是當時實驗的量子位元只有40多顆，所以去年尚未達到「量子霸權（Quantum Supermacy）」。

由於計算的難度是和量子位元（qubit）數目，與週期數目呈現「指數成長」，即使他們的量子位元的品質並不是前無古人，以超導體量子電腦而言，這項數據（single qubit gate error ~0.15% / two qubitgate error ~0.6%）仍舊是個非常讓人驚艷的數字。

超導體量子電腦的計算時脈是奈秒，可以在給定的時間內有，極為大量的數據讓統計起伏降的夠低：注意，由於前段提到的 Gate Error，他們實驗的成功率（Fidelity）只有0.1% 的數量級。

不過，本次實驗的統計誤差小了個數量級，只有0.01%，所以最後的實驗是有5個標準差以上的信心水準。

量子電腦的古典驗算

而就量子霸權領域的「古典驗算」的部分，Google 也絕非兩手一攤說「我不會算就當作是對的吧」。