酒神的狂欢：谷歌公司“量子霸权”计划浅析

　　【酒神狂欢节上的青年们】威廉·阿道夫·布格罗，法国十九世纪著名浪漫主义画家，作品追求细节和完美。这幅“酒神狂欢节上的青年们”轻漫而不轻狂，色调柔和细腻，动感十足：老一代已经功成名就、酩酊大醉，即将退出历史舞台（宙斯？左后方骑毛驴者）。人们的视线被舞台中央一群年轻人健美、自由、奔放的舞姿所吸引，预示着新的世纪即将诞生……。量子信息时代是否也即将来临呢？谁将最后夺得这一领域盛满玉液琼浆的“圣杯”—量子计算机呢？

　　1 “量子霸权”从何而来？

　　熟悉现代科学史的人大概都知道“索尔维大会”（Solvay Conference）在量子物理发展史上所扮演的角色。正是在Solvay这位比利时著名实业家、化学家兼荣誉国务大臣的赞助下，才有了波尔与爱因斯坦在索尔维会议上华山论剑的传奇，例如1927年第5届索尔维大会上拍下的这张现代物理学最著名（没有之一）的英雄谱。照片中29位物理学家有17位已经或将要获得诺贝尔奖，而位于第二排最右边的哥本哈根学派的“诺贝尔奖幼儿园园长”波尔似乎恨不得摄影师一喊完“cheese”就立马冲到第一排正中间与“现代物理学教父”爱因斯坦继续进行上帝是否扔骰子的旷世之争。可惜1922年已经去世的索尔维先生未能一睹1927年盛会的风采。然而成功不必在我，作为世界上最前沿、最开放的世界顶级物理化学会议，索尔维大会已经作为一个科学文化传统一直传承下来了，这大概是对这位实业家最好的纪念。它将注定会继续创造奇迹！

　　2011年11月19日，在第25届索尔维大会上，美国加州理工学院物理学家（喜欢追美剧的各位一定对“生活大爆炸”的谢耳朵有点印象吧？）John Preskill负责作大会总结。在他随后发表的题为《量子计算与量子纠缠的研究前沿》（Quantum Computing and The Entanglement Frontier）的报告当中，Preskill 教授首次提出了“量子霸权”（quantum supremacy）的概念，用以描述量子计算机最大的一个特征，即经典计算机难以望其项背，而必须采用量子计算设备才能完成的计算任务。人们可能会有这样的疑问：具有这种“量子加速”特征的算法早已存在，如Shor算法等，为何Preskill还要提出“量子霸权”这个概念呢？原因很简单，那就是人们需要尽快拿出一台能够真刀实枪进行量子加速计算的设备来向世人展示，人类社会确确实实能够研发出量子计算机，哪怕它暂时还达不到能够运行Shor算法的要求（即要采用大规模容错型量子计算机才能破译现代公钥密码），但至少可以给人们一个定心丸：即量子计算机必将是人类未来新型计算的发展方向。从这个意义上来讲，“量子霸权”概念的提出，颇像当年“图灵测试”一样：即使至今没有大家公认的一个图灵测试的突破点，但它却极大的推动了人工智能的发展。因此量子霸权这一具有鲜明西方文化特色的概念有可能会为将来“群雄逐鹿量子中原”提供一个可以对比的参照系。人们可以预计，在随后的量子计算擂台，武林霸主之争恐怕也会多次易手。

　　然而，逐鹿者众多，谁将成为第一个“称霸者”呢？

　　2 屡败屡战的谷歌公司

　　谷歌公司的工程师们一直在摩拳擦掌准备争夺量子计算的“圣杯”。Hartmut Neven博士，1964年出生，属龙，来自量子力学诞生地德国。在IT界他有两件事情为人所知，一是人脸识别专家，二是“谷歌眼镜”的创始者之一。Neven博士十年前开始转向量子机器学习。他目前担任谷歌公司工程部主任兼“量子人工智能实验室”行政负责人。2013年该实验室干了两件大事，一是购买了加拿大D-Wave 2X型量子退火计算设备（世界上第一台利用量子涨落效应进行仿真计算的设备，2X是最新型号，据称能够制备上千个量子比特），第二件事则是从加州大学圣芭芭拉分校引进了目前炙手可热的世界顶级量子计算机科学家John Martinis，并让其担任谷歌“量子人工智能实验室”首席科学家。于是Neven和Martinis双剑合璧、配合默契，立志共同打造谷歌公司的“梦之机”（著名的《MIT技术评论》用词）。

　　Neven博士于2015年12月8日在其博客上发表了一篇文章《量子退火何时能够取得胜利？》（When can Quantum Annealing win?），宣布了他和Martinis率领一群年轻人在量子仿真计算领域的首次战果：该实验室工程技术人员在D-Wave 2X量子退火仿真器上实现了一款量子加速算法，比经典的仿真计算快了一亿倍！此文一出举世震惊。然而，很快世界各国科学家的怀疑就纷至沓来，其质疑的核心在于“这是一个不公平的比赛”：该公司所发布的成果仅仅适用于非常特殊的情况，并且专门针对D-Wave的特点进行了算法设计，而且更要命的是随后有学者指出在其他经典计算机上也能很快提升这个特殊算法的速度。谷歌的工程师们本想来一场有趣的现代版龟兔赛跑，没想到观众们发现兔子不像兔子，而乌龟居然能变兔子。随后Hartmut Neven博士不失剑客风范，爽快的认输。一句话，初战失败。

　　八个月后，谷歌公司卷土重来，不再遮遮掩掩，干脆挑明了剑锋直指量子霸权。这次Neven和John Martinis扩军备战充实了研发团队，成员来自NASA Ames实验室、加州大学圣芭芭拉分校、美国能源部下属伯克利国家实验室等。今年8月4日，他们联名在预印论文网站上刊登了一篇文章《短期内实现量子霸权设备的特征刻画》（Characterizing Quantum Supremacy in Near-Term Devices）。美国一些主流科技媒体纷纷将其形容为谷歌公司的“量子霸权计划”。对此，来自著名的瑞士联邦苏黎世理工学院（ETH，爱因斯坦的母校）的Matthias Troyer教授，他也是八个月前率先质疑谷歌公司首战结果的专家之一，这次非常痛快的承认“谷歌公司这帮家伙有可能在两到三年之内获得成功，他们已经展示出非常坚实的步骤来达到目的。”曾任教于MIT的量子计算机领域的知名科学家Scott Aaronson在与Martinis团队研讨了这个方案之后，也同意这个基本判断。而来自日本理化所的澳大利亚专家Simon Devitt在接受美国“新科学家杂志”（New Scientist）采访时甚至乐观的估计，有可能在明年年底就取得突破！

　　那么，谷歌公司的“量子霸权计划”到底要做什么呢？