自誕生之日起，量子霸權(quán)成了無(wú)數(shù)研究人員試圖打破的題。如今，哈佛大學(xué)、加州學(xué)伯克利分校和以色列希伯大學(xué)的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)終于朝著這方向邁出堅(jiān)實(shí)一步。實(shí)驗(yàn)證，量子霸權(quán)并不存在！量子權(quán)，這個(gè)詞已經(jīng)誕生了近 4 年了。2019 年，谷歌的物理學(xué)家宣布成功用一臺(tái) 53 量子比特的機(jī)器實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)，這是一個(gè)具白鹿重象征的里程碑。在 Nature 上發(fā)表的論文中稱(chēng)，該量子系統(tǒng)只用了 200 秒完成一個(gè)計(jì)算，而同樣的計(jì)用當(dāng)時(shí)最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī) Summit 執(zhí)行，需要約 10000 年。什么是量子霸權(quán)？所謂「量白鵺霸權(quán)」或者叫「量子優(yōu)勢(shì)」（以下「量子霸權(quán)」）是指，量子算機(jī)能完成的任務(wù)超出了任可行經(jīng)典算法的范圍。這些務(wù)即使放在最先進(jìn)的傳統(tǒng)超計(jì)算機(jī)上，計(jì)算時(shí)間之長(zhǎng)（往是成千上萬(wàn)年）也會(huì)讓算失去實(shí)用意義。有趣的是， 2019 年谷歌的成果中，只說(shuō)了實(shí)現(xiàn)了量詩(shī)經(jīng)霸權(quán)，有說(shuō)明在哪些具體實(shí)例下，子計(jì)算機(jī)超過(guò)了經(jīng)典計(jì)算機(jī)這是一個(gè)很難回答的問(wèn)題，為目前量子計(jì)算機(jī)受到錯(cuò)誤發(fā)的困擾，這些錯(cuò)誤會(huì)累積破壞量子計(jì)算的性能和穩(wěn)定實(shí)際上，與量子霸權(quán)的實(shí)現(xiàn)域相比，科學(xué)家更想知道的另一個(gè)問(wèn)題：隨著量子計(jì)算越來(lái)越大，經(jīng)典算法是否能跟上腳步。德克薩斯大學(xué)奧汀分校的計(jì)算機(jī)科學(xué)家 Scott Aaronson 說(shuō)：「我們希望最終量子一會(huì)完全拉開(kāi)距離，徹底結(jié)束場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)?！勾蠖鄶?shù)研究人員測(cè)，答案是否定的。即經(jīng)典法總有一天會(huì)徹底跟不上量計(jì)算的腳步，但一直無(wú)法準(zhǔn)全面地證明這一點(diǎn)。要確定明這個(gè)推論，一個(gè)途徑是找量子計(jì)算能夠獲得相對(duì)于傳計(jì)算「持久優(yōu)勢(shì)」的條件。在，這個(gè)問(wèn)題似乎有了初步案：省流：量子計(jì)算是會(huì)產(chǎn)錯(cuò)誤的，如果糾錯(cuò)跟不上，種錯(cuò)誤就 會(huì)打破理想狀態(tài)下的「量子霸權(quán)」，讓經(jīng)典算能夠跟得上量子算法的腳步最近，在一篇 Arxiv 上發(fā)表的預(yù)印本論文中，由佛大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分、以色列希伯來(lái)大學(xué)的聯(lián)合隊(duì)朝著證實(shí)這個(gè)結(jié)論邁出了大步。他們證明了，目標(biāo)錯(cuò)糾正是隨機(jī)電路采樣中持久子霸權(quán)的必要條件，為幾年谷歌的研究結(jié)論提供了支撐在目前的量子糾錯(cuò)水平下，子霸權(quán)實(shí)際上是并不存在的再無(wú)量子霸權(quán)「黃金地帶」究人員開(kāi)發(fā)了一種經(jīng)典算法可以模擬存在錯(cuò)誤時(shí)的隨機(jī)路取樣實(shí)驗(yàn)來(lái)證明這個(gè)結(jié)論從一個(gè)量子比特陣列開(kāi)始，被稱(chēng)為「量子門(mén)」的操作隨操縱這些量子比特。一些量門(mén)會(huì)使成對(duì)的量子比特處于纏態(tài)，即意味著彼此共享一量子態(tài)，不能被單獨(dú)描述。多層電路中重復(fù)設(shè)置這些量門(mén)，可以讓量子比特進(jìn)入更雜的糾纏態(tài)。左圖為理想狀下的隨機(jī)電路取樣，右圖為含干擾的隨機(jī)電路取樣為了解這種量子態(tài)，研究人員測(cè)了陣列中的所有量子比特。個(gè)行為會(huì)導(dǎo)致所有量子比特集體量子態(tài)坍縮為一串隨機(jī)普通比特，即 0 和 1?？赡艿慕Y(jié)果數(shù)量隨著陣列中量子比特?cái)?shù)量的增加而迅速長(zhǎng)。在谷歌 2019 年的的實(shí)驗(yàn)中，53 個(gè)量子比特下包含近 10 萬(wàn)億個(gè)結(jié)果。而且，這種方法禺?要從隨電路中多次重復(fù)測(cè)量，建立個(gè)關(guān)于結(jié)果的概率分布圖。于量子霸權(quán)的問(wèn)題是，用一不使用任何糾纏的經(jīng)典算法來(lái)模仿這種概率分布，是否難甚至不可能？2019 年，谷歌研究人員就證明，對(duì)無(wú)誤差、不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的量電路來(lái)說(shuō)，這個(gè)目標(biāo)是困難。在沒(méi)有錯(cuò)誤的情況下，確很難用經(jīng)典算法模擬一個(gè)隨電路采樣實(shí)驗(yàn)。從計(jì)算復(fù)雜的角度看，當(dāng)量子比特?cái)?shù)量加時(shí)，傳統(tǒng)分類(lèi)算法的計(jì)算雜度是呈指數(shù)增加的，而量算法是呈多項(xiàng)式增加的。當(dāng) n 增加到足夠大時(shí)，一個(gè)在 n 中呈指數(shù)級(jí)的算法，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于任何在 n 中呈多項(xiàng)式的算法。當(dāng)我們談到個(gè)對(duì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)很難，對(duì)量子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)很容易的題時(shí)，指的就是這種區(qū)別。好的經(jīng)典算法需要指數(shù)時(shí)間而量子計(jì)算機(jī)可以在多項(xiàng)式間內(nèi)解決問(wèn)題。不過(guò)，2019 年的那篇論文沒(méi)有考慮不完善的量子門(mén)造成梁渠誤的影，研究結(jié)論實(shí)際上留了個(gè)口，也就是說(shuō)，沒(méi)有糾錯(cuò)的隨電路采樣，是否還能實(shí)現(xiàn)量霸權(quán)？實(shí)際上，如果考慮量糾纏中產(chǎn)生的、可以累積的誤，那么用經(jīng)典算法模擬隨電路采樣實(shí)驗(yàn)的難度就會(huì)大降低。而如果經(jīng)典算法模擬計(jì)算復(fù)雜度，降低到與量子法相同的多項(xiàng)式級(jí)別，量子權(quán)就將不復(fù)存在。這篇新論表明，假設(shè)保持電路深度不，比如說(shuō)很淺的 3 層，隨著量子比特?cái)?shù)量的增加，不有太多的量子糾纏，輸出仍可以進(jìn)行經(jīng)典模擬。另一方，如果增加電路深度，跟上斷增加的量子比特?cái)?shù)量，那由量子門(mén)錯(cuò)誤累積的效應(yīng)將淡糾纏產(chǎn)生的復(fù)雜程度，用典算法模擬輸出仍然會(huì)變得加容易。在這兩者之間有一「黃金地帶」，即量子霸權(quán)以繼續(xù)存活的窗口，即傳統(tǒng)法模擬跟不上量子糾纏的范。在這篇論文發(fā)表之前，即隨著量子比特?cái)?shù)的增加，當(dāng)子比特?cái)?shù)量達(dá)到某個(gè)中間范時(shí)，量子霸權(quán)是仍然存在的在這種電路深度下，即使輸會(huì)因量子算法錯(cuò)誤而穩(wěn)定地化，但在每一步都難以進(jìn)行典算法模擬。這篇新論文把個(gè)「黃金地帶」幾乎消滅了論文中推導(dǎo)出一種模擬隨機(jī)路采樣的經(jīng)典算法，并證明其運(yùn)行時(shí)間是運(yùn)行相應(yīng)量子驗(yàn)所需時(shí)間的多項(xiàng)式函數(shù)，非指數(shù)函數(shù)。這一結(jié)果在隨電路采樣的經(jīng)典方法和量子法的速度之間建立了緊密的論聯(lián)系，即宣告了在理論上經(jīng)實(shí)現(xiàn)的量子霸權(quán)，在實(shí)際幾乎并不存在。之所以說(shuō)「乎」，是因?yàn)樾滤惴ǖ幕?設(shè)對(duì)某些較淺的電路是無(wú)效，留下了一個(gè)未知的「小缺」。不過(guò)，很少有研究人員對(duì)在這個(gè)缺口中實(shí)現(xiàn)量子霸抱有希望。連 2019 年谷歌那篇論文的作者之一、加哥大學(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)家比?費(fèi)弗曼（Bill Fefferman）也表示：「我看這個(gè)幾率相當(dāng)小」?？山躺?么說(shuō)，按照計(jì)算復(fù)雜性理論嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，隨機(jī)電路采樣已不會(huì)產(chǎn)生量子霸權(quán)了。另外面對(duì)這個(gè)結(jié)論，所有研究人都同意，量子糾錯(cuò)對(duì)于量子算的長(zhǎng)期成功將是多么關(guān)鍵Fefferman 說(shuō)：「我們研究到最后都發(fā)現(xiàn)，量糾錯(cuò)才是解決方案?！箙⒖?料：https://www.nature.com/articles/d41586-023-00017-0https://www.quantamagazine.org/new-algorithm-closes-quantum-supremacy-window-20230109/https://scottaaronson.blog/?p=6957本文來(lái)自微信公眾號(hào)：新智元 （ID：AI_era）