Google號稱創下量子霸權里程碑 IBM質疑

科技巨擘Google號稱在量子運算研究領域達成重大突破，利用實驗性量子處理器在短短3分20秒內，完成傳統超級電腦必須耗費一萬年才能執行完成的運算任務。

美聯社報導，發表在最新一期科學期刊「自然」（Nature）的研究發現顯示，在真實世界系統中可以達到量子加速（quantum speedup），且未被任何隱藏的物理定律所排除。

供龐大高速處理資訊使用的量子運算科技還在萌芽階段。量子電腦有朝一日將對目前電腦必須花上多年時間才能執行完成的運算任務，帶來革命性改變，像是在開發新藥、都市優化或運輸交通規劃等方面。

量子電腦科技仰賴量子位元（qubits），而量子位元可以同時存在現代電腦語言中的資料數值0和1。Google、微軟（Microsoft）和國際商業機器公司（IBM）等科技巨擘都積極研發量子電腦。

馬里蘭大學物理學教授門羅（Chris Monroe）表示：「量子之類可以同時存在不同地方。規則很簡單，但令人困惑不解。」

Google的論文上月在網路上外洩，雖緊急撤下，但已被其他研究人員看到。Google號稱的量子電腦重大突破，遭到業內其他研究人員挑戰。

Google宣稱已達成「量子霸權」（quantumsupremacy）說法，很快就遭到IBM挑戰。所謂「量子霸權」指的是量子電腦能執行的運算，傳統電腦終其一生都無法完成任務。

Google外洩論文顯示，實驗性量子處理器Sycamore花3分20秒執行完成的運算任務，倘若由當前全球最快速超級電腦來執行，得花上一萬年時間。

IBM研究人員表示，Google低估了傳統超級電腦Summit的運算能力，並指出Summit實際完成運算時間是2天半。Summit由IBM研發，安裝在田納西州美國能源部橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory）。

Google是否達成量子霸權里程碑，對於競爭對手來說，或許耿耿於懷。但對於量子研究領域而言，可能沒那麼重要。但這的確顯示，量子電腦研究漸趨成熟。

首創「量子霸權」一詞的加州理工學院教授普瑞斯基爾（John Preskill）於Google論文外洩後在專欄中表示：「Google號稱達成的量子霸權里程碑，是追求實際量子電腦的重要一步。」

量子電腦多強？200秒運算勝過最快超級電腦算1萬年， Google最新實驗成果登上自然雜誌

量子電腦有多強？Google最新實驗成果近期登上了知名科學期刊自然雜誌，在特定實驗設計下，54量子位元的量子電腦運算200秒可比美現今最快超級電腦1萬年。

Google的實驗成果近期以「使用可程式化超導處理器的量子優越性」（Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor）登上自然雜誌，在該實驗中，Google打造一54量子位元（qubit）處理器Sycamore，在200 秒內執行的運算量，是全球最快超級電腦需要運算1萬年。

所謂的量子優越性（Quantum Supremacy，或稱量子霸權）是外界看好量子運算發展潛力，相信量子運算裝置終有一天將能解決現今傳統電腦無法解決的問題，Google這項實驗結果證實了量子電腦龐大發展潛力，在特定應用下，超越現今超級電腦的運算能力。

在這項實驗中，先假設由一群量子運算的新手編寫演算法，因這些新手先前沒有經驗，編寫的演算法看起來沒有特定的順序、隨機化，在隨機的電路裡，沒有傳統演算法結構可尋，因此需要大量的傳統超級電腦運算才能模擬這類量子電路。

由量子電腦每次執行量子電路都會產生一組位串，例如0000101，隨著量子干擾產生，在多次實驗下，某些位串較容易出現，但隨著量子位元、電路深度的逐漸增加，傳統電腦將愈難找出隨機量子電路最可能的位串，在進行多次重覆實驗下，量子電腦運算能力優於傳統電腦運算。

Google AI量子團隊指出，Sycamore是以2個維度網格設計，每個量子位元和其他4個量子位元相連，每個量子位元狀態得以快速互動，現今電腦運算難以有效模擬其狀態。

該團隊強調使用54量子位元處理器Sycamore的量子電腦可完全程式化，執行通用的量子演算法，並已在去年春季達到量子的優越性，目前該團隊已準備用於近期的應用，包括量子物理模擬、量子化學，以及生成式機器學習等其他領域上的新應用。

Google表示，這項成果是許多人奉獻研究的心血結晶，同時開啟了新的里程，探索這項技術的應用可能性，目前已和研究社群合作打造開放原始碼工具，希望找出量子計算的全新應用。

為什麼IBM要跳出來，對Google的「量子優越性」（quantum supremacy）有意見？

Google在昨天正式在期刊上刊出了他們達成「量子優越性」（quantum supremacy）的論文，當然是在量子領域的一大成就。不過，這項成就也帶來另一間公司IBM的一些質疑。認為Google的說法是誇大了他們的成就。

雖然在昨天他們的期刊才正式刊出，事實上在先前這份論文的內容已經被洩露一次。而就在他們論文正式刊出的前幾天，IBM也在官方部落格上討論了所謂「量子優越性」（quantum supremacy）這件事。

雖然一些媒體將這形容為IBM在打臉Google，不過其實我們更可以視為是Google與IBM這兩大科技巨頭，在對量子運算所持不同的態度。

首先我們先從「quantum supremacy」這個名詞來看，supremacy這一詞有至高、優越、霸權等等不同的解釋。過去國內媒體多半將這名詞翻譯成「量子霸權」，不過可能是因為霸權的中文翻譯太過霸道，因此台灣的Google相關單位特地將這個名詞翻譯成「優越性」。

而所謂的量子霸權，意思就是指量子電腦能執行的運算量，是傳統電腦終其一生都無法完成任務。比方說這次論文所發表的，Google 打造的晶片 ( Google 稱為 Sycamore) 在 200 秒內可以執行的運算量，透過現今最快的超級電腦要運算 10,000 年之久。

IBM為什麼要跳出來？他們說的有道理嗎？

那麼IBM為什麼要跳出來呢？首先，Google所說的「現今最快的超級電腦」，指的是美國能源部所用的 Summit 超級電腦。是IBM為美國能源部開發的。因此，當Google說「在Summit 超級電腦上需耗時 1 萬年的運算過程，在Google自家的量子電腦上只需 3 分 20 秒的時間。」IBM的確是有資格可以來驗證這個說法對不對的。

IBM 的研究員，檢視了Google的論文後，他們表示在Summit超級電腦上對相同問題進行運算，其實只要用正確的演算法，只需兩天半的時間。而且他們表示兩天半「很保守，而且是在最壞情況下的估算」。他們認為Google對於Summit的能力估算過低，是一個錯誤的假設所得到的錯誤結果。不過，他們也承認這個時間並非實際跑出來的結果，而是估算值。

當然，或許你會說，就算是兩天半，Google的量子電腦還是很快啊？沒錯。問題用三分二十秒達成兩天半的成就，稱不上「霸權」，並不是超級電腦永遠都算不出來的。而IBM想要強調的也就是這點。

IBM對於Google有意見的是，他們覺得Google把量子計算講的太神話了，讓量子計算對於一般人來說反而顯得更加神秘。而IBM的主張則是量子電腦與傳統電腦並不是二選一的道路，在發展量子電腦的同時，現在的超級電腦技術也有相當的進步，他們認為未來會是兩者並行的狀態。

Google怎麼回應

針對IBM的說法，兩名Google的研究人員回應表示，他們在論文中的研究是根據實際在 Summit 超級電腦上使用者實際的工作進行的估算，以及比對自家量子電腦的結果，資料都是經過實際執行並且檢查過的。而他們並不清楚IBM宣稱「兩天半可以解決問題」的演算法實際執行起來會如何，除非他們的說法能被驗證。

「但是，就算是真的兩天半可以解決問題，這也要比200秒長很多。所以，我們依然認為我們達到了量子優越性。」 

Google「量子優越性」論文正式發表，量子計算到底是什麼？

Nature 正式刊登了 Google 關於「實現量子優越性」的論文。Google 的論文顯示，他們製造出了 53 個量子位元數的量子電腦，計算能力遠遠超過傳統的超級電腦。同樣的計算量，量子電腦用 200 秒就完成了，而目前最強的超級電腦，要花費 10000 年才能完成。 

IBM 的研究人員對此有不同看法。10 月 21 日，IBM 的研究人員發文，質疑了 Google 的實驗方法：Google 在估算經典超級電腦需要 10000 年來計算的估算上出了問題，而 IBM 的方法可以讓超級電腦在 2.5 天內以更高的保真度完成相同計算任務。這還是」 保守的、最壞情況的估計 「，其他研究能進一步減少時間。

不管是 10000 年還是 2.5 天，量子電腦的速度都是遠超過傳統電腦，這背後關鍵原因是量子並行計算。解釋量子並行計算，要從量子的屬性說起。

「量子」不是具體指某一種粒子，而是量子世界中物質客體的總稱，可以是光子、電子、原子、原子核、基本粒子等微觀粒子，也可以是宏觀尺度下的量子系統，比如「薛定諤貓」。

在我們的日常經驗中，宏觀世界物體的物理量和狀態在某個時刻總是確定的。比如，一個燈泡要麼是開的，要麼是關的，不可能是即開著又關著的。

但在量子世界裡，「即開著又關著的燈泡」是存在的，因為量子具有疊加態。量子疊加是指，一個量子系統可以處在不同量子態的疊加態上。簡言之，就是兩種狀態疊加在一起。

「薛定諤的貓」就是解釋量子疊加的一個思想實驗：把貓關在一個不透明的箱子裡，箱子裡有一個裝置，可以釋放出毒氣。如果不打開箱子去觀察（測量），貓就陷於一種死/活的疊加狀態。

除了疊加態，量子還有另一個重要的特性——量子纏結。量子纏結是指，兩個粒子即使相隔數光年之遙，也能夠具有相互聯繫的特性。

1981 年，美國物理學家理察·費曼提出，原則上，人們可以設計一種電腦，該電腦透過量子力學特性來工作，模擬量子系統並採用量子方程得到解。由於量子系統具有天然的並行處理能力，用它所實現的電腦很可能會遠遠超越電腦。

傳統電腦的資訊單位是位元，一般用 「0」 和 「1」 來表示。一個位元，要麼是「0」，要麼是「1」。量子電腦的資訊單位是「量子位元」。上面說到，量子具有疊加態的特性，因此量子位元可以同時處於「0」和「1」的狀態。

有人做過一個比喻：傳統的位元是 「按鈕開關」，按下去或是開起來只有開和關兩個狀態（0 和 1），而量子位元是 「旋鈕」，就像收音機上調頻的旋鈕那樣，有無窮多個狀態。電腦透過操縱傳統位元進行運算，而量子電腦是操縱量子位元，本質上就是去旋轉它們。

由於這種疊加的特性，讓量子電腦可以具備了強大的並行計算能力。在設計量子電腦時，通常會利用量子纏結的特性，讓一個粒子和其他粒子糾纏，進一步提升並行計算能力。簡而言之，利用量子疊加和量子纏結可使計算能力指數級增長。

製造量子電腦不是件容易的事。由於量子位元的量子態非常脆弱，打造量子電腦主要困難之一是保持量子態超低溫度。「噪音」的最輕微振動或溫度擾動的變化，都可能導致粒子在工作正常完成之前就發生量子行為的衰減，這被稱為「退相干（Decoherence）」現象。

因此量子電腦必須在極度低溫條件下工作，以盡力保護量子位元不受外界環境影響。其次，因為量子位元的不穩定性，量子計算的精密度也存在問題。

不少研究人員都認為，Google 的成果推動量子計算往前走了一大步，但大家都很清楚，量子計算可以使用的應用條件還是非常有限。

目前，電腦仍然是解決大多數問題最簡單、最經濟的解決方案。而量子電腦適用於材料科學、藥物研究和密碼學等領域，有公司已經在試驗將其應用於汽車行業和製藥業。此外，機器學習裡核心的優化過程與量子計算是天作之合，Google 花這麼大力氣研發量子電腦也就不奇怪了。

外媒近距離接觸Google量子電腦：還要解決哪些問題？

谷歌不久前宣稱成功實現了「量子霸權」（Quantum Supremacy），推出包含53個有效量子位元的處理器Sycamore，「對一個量子電路產生的隨機數位採樣100萬次」的運算任務，Google量子電腦只需要200秒，而世界最強超級電腦Summit需要1萬年。為了證明Google量子電腦到底有多神奇，科技記者尼爾・薩維奇（Neil Savage）日前親自操作體驗了一下，並稱就像變魔術。

記者親身感受：量子電腦哪裡不同

在Google位於美國加州戈利塔（Goleta）類似車庫的實驗室裡，我站在巨大的觸控螢幕前，用手指在顯示螢幕上移動包含X、Y、H和其他神祕符號的小方塊。這些方塊代表的是可以在一個量子位元上執行的函數，而量子位元則位於附近的銀色大圓柱體內。在無數函數中，有些會使比特從1翻轉到0，或從0翻轉到1。

顯示螢幕上的另一個正方形顯示了量子位元的狀態，它看起來像是在球體內的棒棒糖。當「棒棒糖」移動時，它旁邊的數字在1.0000到0.0000之間振盪。這是量子位元的強項之一：它們不必像二進制位中那樣要嘛是1要嘛是0，而是可以在介於兩者之間的狀態存在。這種「疊加」特性允許每個量子位元一次不止執行一次運算，而是以一種看起來特別神奇的方式加速計算。

儘管量子位元的最終讀數依然是1或0，但所有這些中間步驟的存在意味著傳統電腦很難或不可能進行類似的運算。對於外行人來說，這個過程可能看起來有點兒像魔術，揮揮手、輕硑觸控螢幕，然後從量子帽中拉出一隻兔子。Google邀請我和其他記者來到這裡，旨在揭開這個魔術的神祕面紗，以證明它根本不具有魔力。

在螢幕的右半部分，曲折的線條顯示與在量子位元上執行的函數相對應的波形。在這個部分的旁邊是個台式打印機大小的盒子，它將這些波形作為電脈衝通過電線發送到銀色圓柱體中。如果圓柱體打開，你會看到裡面有六層腔室，層層排列，就像用金屬絲裝飾的、顛倒過來的婚禮蛋糕。每層腔室都被冷卻到比其上面腔室溫度低得多的程度；最下面一層達到0.015克耳文（-273.135攝氏度），幾乎僅是外層空間的1/200。

這些腔室都是真空的，不受光和熱的影響，否則會破壞微妙的量子位元，這些量子位元位於所有導線末端的晶片上，在黑暗和寒冷中被隔離。每個量子位元的直徑約為0.2毫米，通過普通顯微鏡可以看到。但是經過冷凍和避過外部影響後，每個量子位元都變成了超導體，讓電子自由流動，就好像它成了單原子，可以用量子力學定律決定其行為。

強度適當的微波脈衝促使量子位元振動。當兩個相鄰的量子位元達到相同的共振頻率時，它們就會相互糾纏，這是另一種量子力學屬性，這意味著測量一個量子位元的狀態也會讓你瞭解另一個量子位元的狀態。不同頻率的電磁脈衝會引起量子位元翻轉。

各方評論：「量子霸權」有意義嗎？

Google的量子軟體工程師克雷格・吉德尼（Craig Gidney）表示，「量子電腦更像是裝有一串鐘擺的盒子。我和其他在腔室外發送訊號的人正在拉動鐘擺的弦，透過改變它們的擺動幅度來執行不同的邏輯運算。」

Google的量子團隊稱，所有這些寒冷和振動讓其獲得了量子霸權，讓量子電腦可以做普通電腦無法做到的事情。在本週發表在《自然》雜誌上的論文中，Google工程師描述了他們用來證明量子霸權的基準實驗。他們的程序運行在50多個量子位元上，檢查量子隨機數發生器的輸出。

Google量子人工智慧實驗室經理哈特穆特・奈文（Hartmut Neven）說，有些批評人士抱怨這是個人為問題，只適用於有限的現實應用程式。對此，奈文反駁稱：「Sputnik（人類第一顆人造衛星）也沒有太多實際用途，它只是繞著地球旋轉。然而，它代表著太空時代的開始！」

芝加哥大學專注於量子信息工程的凝聚態物理學家戴維・奧沙洛姆（David Awschalom）沒有參與這項研究，但他同意Google項目解決了一個非常特殊的問題，並補充說，Google不能聲稱自己擁有了通用量子電腦。他說，通用量子電腦可能需要100萬個量子位元，而且還需要很多年才能實現。但他相信，Google的團隊已經實現了重要的里程碑，為其他科學家取得突破奠定了基礎。

Google的量子運算晶片被稱為Sycamore，使用了53個量子位元來實現其結果，晶片上第54個量子位元出現了故障。Sycamore的目標是隨機產生1和0的字符串，每個量子位元可產生253位元字符串（也就是大約9.700199254740992千萬億位字符串）。由於量子位相互作用的方式，有些字符串比其他字符串更有可能出現。

Sycamore運行數位生成器100萬次，然後對結果進行採樣，得出任何給定字符串出現的概率。Google團隊還在橡樹嶺國家實驗室的超級電腦Summit上運行了一個更簡單的測試版本，然後根據這些結果進行外推，以驗證Sycamore的輸出。新的晶片在200秒內完成了任務。研究人員估計，同樣的運算需要花費Summit上萬年的時間。

然而，IBM的研究人員上週早些時候發表論文，稱在理想條件下，使用額外的記憶體儲存，Summit可以在兩天半內完成上述任務。IBM也在致力於開發量子運算，該公司科學家們在IBM Research部落格上寫道：「因為加州理工學院理論物理學家約翰・普雷斯基爾（John Preskill）在2012年提出的『量子霸權』這個術語的最初含義，是為了描述量子電腦可以做經典電腦無法做到的事情，顯然Google量子電腦還沒有邁過這個門檻。」因此，也許Google取得的成就可以貼上「量子優勢」的標籤。

但德克薩斯大學奧斯汀分校理論電腦科學家斯科特・艾隆森（Scott Aaronson）表示，說量子霸權尚未實現並不完全正確，畢竟Sycamore的速度比Summit快得多。隨著Google系統中量子位元數量的增長，其運算能力將呈指數級增長。從53個量子位元增加到60個量子位元將使該公司量子電腦的計算能力相當於33台Summit。在達到70個量子位元時，類似Summit的傳統超級電腦可能要變得與城市大小相當才能擁有同樣的處理能力。

艾隆森還表示，Google所取得的成就可能已經有了些意想不到的實用價值。Google的系統可以用來產生被量子物理定律證實為隨機的數字。例如，該應用程式可能會產生比人類或傳統電腦所能提供的密碼強得多的密碼。

艾隆森承認：「我現在不確定，爭論它是不是取得了『霸權』是否正確。」他說，量子運算領域尚未就比較不同量子電腦的最佳方式達成一致，特別是那些建立在不同技術上的量子電腦。儘管IBM和Google都在使用超導體來創建它們的量子位元，但另一種方法依賴於捕獲離子，即帶電原子懸浮在真空中，並由激光束操縱。IBM提出了一種稱為「量子體積」的度量標準，其中包括諸如量子位元執行運算的速度以及它們避免或糾正錯誤的能力等因素。

Google還要解決哪些問題？

事實上，糾錯是量子電腦科學家必須掌握的，這樣他們才能製造出真正有用的設備，特別是包含數千個量子位元的設備。研究人員說，到那時，機器可以對化學反應進行詳細的模擬，這可能會促使新的藥物或更好的太陽能電池出現。而且他們還可以快速破解最常用於保護互聯網數據的密碼。

不過，要想達到這種性能，量子電腦必須能夠自我糾正，找到並修復其操作中的錯誤。當一個量子位元自發地從1翻轉到0，或者當它的量子疊加由於外部世界的干擾而衰減時，就會出現錯誤。Google的量子位元目前在衰變前持續約10微秒。項目研究人員瑪麗莎・朱斯蒂娜（Marissa Giustina）說：「它們的壽命是有限的。它們非常脆弱，當與周圍環境相互作用時，我們可能就會失去量子訊息。」

傳統電腦透過冗餘來解決糾錯問題，透過測量電容器中的單個電子而不是數萬個電子來決定數字位是開還是關。相反，量子位元本質上是概率問題，所以試圖將它們聚集在一起執行批量測量是行不通的。Google正在開發一種統計方法來糾正錯誤，加州大學聖巴巴拉分校物理學家約翰・馬蒂尼斯（John Martinis）與該公司合作開發了Sycamore。他表示，到目前為止，初步結果顯示，沒有任何跡象表明錯誤糾正變得越來越好。看起來，這個項目還會繼續下去。

與此同時，Google的工程師將致力於改進他們的量子位元，以產生更少的錯誤，這也可能允許更多的量子位元相互關聯。他們還希望縮小鏈子電腦的控制箱體積，每個控制箱可以處理20個量子位元及其相關電路，因此需要三個控制箱才能運行Sycamore的53個量子位元。如果他們的系統增長到大約1000個量子位元，其冷卻需求將超過那些巨大銀色圓柱體的容量。

在Google從事量子硬體和架構工作的朱利安・凱利（Julian Kelly）表示，該公司的聲明首先是一項工程成就，但它可能會開闢一片未開發的領域。他說：「我們已經證明了量子硬體可以做些極其困難的事情，我們正在以前沒有人能夠進行實驗的領域開展業務。不過，這種進步產生的影響還不確定，畢竟我們也才剛剛邁入這道門檻兒。」