速度碾压超算后，谷歌量子计算机学会“证明我算对了”

10月23日消息，要让量子计算机真正改写计算版图，科学家必须证明机器给出的答案是对的。如今，人们看到了希望。

一支研究团队宣称，谷歌Willow量子芯片实现了“可验证的量子优势（verifiable quantum advantage）”。也就是说，它完成了一项传统经典计算机看似无力胜任、但结果又能被确认正确的量子计算。相关结果发表于10月22日的《自然》（Nature）。理论上，这一结果可由另一台量子计算机加以验证，不过目前尚未完成这一步。

验证是量子计算机走向应用的关键一环。谷歌量子AI（Google Quantum AI）位于加州圣塔芭芭拉的物理学家汤姆·奥布赖恩（Tom O’Brien）在10月17日的新闻发布会上说：“如果我无法向你证明数据是正确的，那又如何拿它做任何事情呢？”

该计算测量的是一种被昵称为“量子回声”（quantum echoes）的现象。Willow运行该计算的速度，比全球最强大的超级计算机之一Frontier快1.3万倍。整套计算在Frontier上大约需要150年的计算时间，因此用经典计算来完成并不可行；而在Willow上仅耗费了数天。

未参与该研究的麻省理工学院（MIT）量子物理学家阿拉姆·哈罗（Aram Harrow）表示：“一个很有说服力的观点是，要想用经典计算机来模拟这一过程，你需要巨大的算力投入，外加人们尚未提出的算法改进；不过设想人们能提出这样的算法，也并非天方夜谭。”过去许多“量子优势”的宣称，常被后续改进的经典算法所抹平。

同样未参与该研究的德州大学奥斯汀分校计算机科学家斯科特·阿伦森（Scott Aaronson）指出，以往一些声称实现量子优势的工作虽有一定验证，但其验证效率并不高——例如，随着计算规模增大，验证时间呈指数级增长。相比之下，谷歌这次的新计算如果能有一台能力相近的量子计算机来验证，效率就会很高。

阿伦森说，高效可验证的量子优势一直是近年来该领域面临的最大挑战之一。“这次的研究是一个不错的候选者。”

哈罗补充说，更理想的情况是能被经典计算机验证的量子算法。比如最著名的量子算法之一“肖尔算法（Shor’s algorithm）”，它能把一个极大的整数分解成两个素数因子。对足够大的数，这项任务在经典计算机上会耗时长到不切实际；而这种分解的困难度恰是互联网数据加密的基础。但一台足够强大的量子计算机运行肖尔算法后，一旦给出那两个素数，经典计算机只需把它们相乘，便可核对是否等于原数。

“量子回声”没那么简单。其学名是“反时间序关联函数（out-of-time-order correlators）”，是系统进入混沌的一种特征。哈罗说，它“有点像‘蝴蝶效应’：你在某处轻轻一推，随后在晚些时候，远处会出现扰动”。

计算“量子回声”要对计算机的量子比特（qubit）施加一系列随机操作，然后将这些操作逆向执行，相当于把时间“倒回”起点。这正是研究人员得以从原本会淹没信息的混沌系统里提取一个可验证信号的原因。

研究团队这次使用了Willow的65个量子比特，将正向与反向操作各执行了两次；每次“时间反转”之前，都会对少数量子比特做些微调。该技术会产生复杂的量子干涉效应，而这在经典计算框架下难以计算。

研究人员认为，他们的算法是迈向量子计算机实际用途的一步。在一篇尚未经过同行评审的论文中（该论文计划于10月22日发布在arXiv.org上），谷歌研究人员及其合作者用该技术计算了两种分子中某些部分在三维空间里的相对排布。演示结果与实验室的常用技术——核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）——相一致。不过，目前尚未超过经典计算的表现。

尽管如此，哈罗表示：“能把他们的量子计算机同真实实验连接起来，这一点非常难得。”（易句）

（本文由AI翻译，网易编辑负责校对）