谷歌再亮量子计算底牌，向超越经典计算架构发起冲击

四年之前，谷歌工程师曾夸耀自己实现了“量子霸权”，通过实验表明其53量子比特的Sycamore量子计算系统解决了传统超级计算机无法解决、或者需要很长时间才能解决的问题。但当时谷歌的说法受到了量子领域众多竞争对手的批评，IBM等厂商纷纷表示谷歌选定的任务不够复杂，完全可以通过传统系统在更长的时间内加以解决。

但量子霸权的承诺太过诱人，其本质在于量子科学家和研究人员将攻克一系列当前尚无法解决的难题，进而为硬件和软件供应商们开辟出前途光明、潜在利润丰厚的全新业务增长领域。正因为如此，这项工作必须继续下去，哪怕迎着冷眼与嘲笑。

于是谷歌日前再次发表研究成果，对量子霸权旧事重提。此次研究表明下一代Sycamore系统（拥有70个量子比特，搭载的量子处理器拥有2.41亿倍于上代处理器的算力）将正式实现量子霸权。具体来讲，它所能即时完成的计算任务即使是在橡树岭国家实验室的大型1.68百亿亿次“Frontier”系统上，也需要47年才能完成。

谷歌公司在今年4月ArXiv论文预发表网站上发布的文章综述中，正式提出了这项关键性研究目标。但正文直到本月才开始正式撰写，谷歌研究人员称“量子计算机有望执行经典计算机所无法处理的任务”，并补充称通过此项实验，“我们用改进后的经典方法预估了计算成本，并证明我们的实验确实在算力方面超越了现有经典超级计算机。”

量子计算已经是个被讨论了几十年的老话题，但目前我们距离实用层面的成果仍有很长的距离。也许还要再等十几年时间，我们才能真正迎来拥有百万甚至更高量子比特规模的全功能、强纠错量子计算系统。而且这还没有考虑到其面临的其他现实挑战，包括如何将量子系统的成本和计算时间控制在具备经济效益的水平上，如何为量子系统开发软件，以及如何培养出足够的技术人员来承担量子系统的构建、部署和管理工作。

另外还有如何使用的问题，至少在正式面世之初，多数用户肯定搞不清要怎么使用量子计算系统。它们应当独立存在，还是运行在云端？抑或是作为经典加量子混合系统中的组成部分，负责承担传统超级计算机所无法处理的特定工作负载？此外，量子计算行业可能还需要选择合适的供应商，以多种不同模式创建各种量子比特（即驱动量子系统的核心引擎）。

很明显，量子计算在实践落地之前还有很多工作要做。除了谷歌、IBM、微软、AWS和英特尔等IT巨头之外，其他众多体量较小的企业和初创公司也纷纷投身其中。甚至来自其他行业的组织也在量子计算领域开展工作，比如金融服务公司富达就在其应用技术中心内研究量子技术。虽然谷歌等大厂公布的仅仅是渐进式成果，但至少表明量子计算正不断取得进展，也逐渐指明了接下来的技术探索方向。

IBM和加州大学伯克利分校上月推出的联合研究就是其中一例。研究结果表明，即使仍处于实验阶段，量子系统仍可表现出超越传统系统的处理能力。合作团队的科学家们在IBM的127量子比特“Eagle”处理器上对复杂的物理模拟工作负载进行了计算。但由于只是概念验证，所以实验中并未引入帮助量子比特和经典计算系统抑制潜在噪声的容错量子电路（Eagle处理器尚无法支持此电路）。

研究人员们在报告中写道，“我们报告了在有噪声127量子比特处理器上的实验结果，并演示了对电路体积的准确期望值的测量，其规模已经超出了经典架构的暴力计算极限。我们认为，这代表着量子计算在前容错时代也同样拥有实际价值。”

谷歌的研究目的也与蓝色巨人类似，研究人员还专门为此撰写了“让量子系统和经典架构斗得再狠一点”的文章。

他们在文中提到，“最近的RCS（随机电路采样）实验凸显出计算复杂性与噪声之间的相互作用，而这一切的开端正是2019年的53量子比特Sycamore量子处理器。从那时起，先后有多次类似实验尝试提升系统规模、降低噪声水平，而经典算法一边也取得了不少实质性进展。”

研究人员们认为，此次研究主要是为了解决两个核心问题：“在实践层面，有噪声的量子处理器所使用的指数大希尔伯特空间，其区域是否存在可明确定义的边界？更重要的是，我们能否建立一个可直接探测这些边界的可观察实验对象？”

研究人员在第二代Sycamore系统上进行了RCS实验，该系统包含70个具有24周期的量子比特，并确定了由噪声和量子力学间相互作用所推动的所谓“不同相位”。研究人员使用“具有交叉熵基准的有限尺度研究（XEB）”确定了各相位的边界，证明量子力学和噪声间的相互作用可以导致相位变化。

谷歌指出，此次实验的结果证明，下一代Sycamore量子系统的性能将明显优于全球首个获得认证的百亿亿次超算系统Frontier。后者是一套以HPE Cray EX235a系统为基础的庞然大物，搭载大量定制化“Trento”Epyc CPU和“Aldebaran” Instinct MI250X GPU加速器。该系统共有近870万个核心，采用HPE的Slingshot-11互连，整体性能高达1.194百亿亿次。

根据谷歌的研究结论，Frontier需要6.18秒才能完成53量子比特Sycamore系统能够即时完成的同一计算任务。而与拥有70量子比特的下一代Sycamore系统相比，这个数字将迅速扩大至47.2年。研究人员们写道，实验表明即使是有噪声的量子系统，其在运行某些计算时的速度也经远超当前最强大的经典超级计算机，这也带来了“关于量子力学如何与噪声相互作用的直接见解”。他们在论文中写道，“观察到的相位边界为有噪声量子设备能够正确发挥计算能力的7种状态提供了定量指导”。

但也必须承认，目前的量子领域仍然面临着前文提到的一系列挑战。研究人员们在文中写道，“尽管RCS目前已经取得了成功，但展望未来，想在短期之内为有噪声量子处理器寻找实际用例仍是个艰巨的挑战。”

这样的论断，也基本响应了今年5月阿贡国家实验室环境与生命科学计算副实验室主任Rick Stevens的观点，他呼吁对HPC领域的一切议题都应保持极大的耐性。这既包括开发十万亿亿次（百亿亿次的1000倍）和量子系统等前沿成果，也适用于阿贡国家实验室今年打算借HPE之手建设的另一套百亿亿次系统“Aurora”（不同于Frontier，Aurora将基于英特尔的Sapphire Rapids至强SP处理器加Ponte Vecchio Max系列GPU）。

Stevens还在一次网络碎上表示，Frontier前后花了十五年时间才上线，而十万亿亿次和量子系统距离真正实现可能同样还有15到20年时间。

很明显，HPC永远是一条曲折而漫长的征途。

他总结道，“这是一场持久战，没有什么捷径可走。如果大家只关注明年就能实现和落地的东西，那HPC就不适合你。但如果愿意在十年或者二十年的周期上思考问题，那HPC就是你的最佳选择……目前我们还处于早期阶段，接下来还有很多挑战要面对。所以我们必须认真思考，十年之后的高性能计算会是什么样子？二十年后又会是什么样子？”