Google製造出53 Qubits量子計算機達成量子霸權、卻遭 IBM 質疑

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科技產業資訊室 (iKnow) - May 發表於 2019年9月26日

圖、 IBM與Google皆研發出53 Qubit量子計算機

近日，谷歌短暫發表一篇實現“量子霸權”(Quantum Supremacy) 論文引起各方討論，包括IBM 量子計算專家在內的質疑。因，不久前，IBM也剛發表53比特量子計算機，預計2019年10月於雲端供研究人員和公司使用。

據英國《金融時報》9 月20 日報導，谷歌(Google)研究人員發表一篇證明谷歌實現“量子霸權”的論文，發表於NASA 艾姆斯研究中心(Ames Research Center) 網站上，短暫發表後，很快被刪除。但該論文已被多人下載，並在網上引起高度討論。

所謂“量子霸權”指的是量子計算機的計算能力超越傳統計算機。其中，一個重要指標是量子比特(Qubit) 數量，有學者認為，達到50 個量子比特的量子計算機，被認為達到“量子霸權”。達到“量子霸權”的量子計算機將給人類文明帶來重要影響，例如實現更快的AI、加速新藥研發、自動駕駛車等等。不過，它也會對現有加密技術產生重大挑戰，就是量子計算的超強運算力可能對金融交易加密產生巨大破解力。

Google製造出53 量子比特的量子計算機

谷歌的“量子霸權”計劃是由加州大學聖巴巴拉分校的物理學家John Martinis主導Quantum AI Lab實驗室進行研究。據DeepTech 曾專訪谷歌Martinis時，透露出該實驗室有三個主要的研究領域：

第一個是研究通用型量子計算機（universal quantum computer），
第二個是連續性模擬器（continuous simulator），
第三個是量子退火（quantum annealer），類似D-Wave 公司在進行的研究。

谷歌這篇論文標題為“基於可編程超導處理器的量子至上性”（Quantum supremacy using a programmable superconducting processor）。該論文描述，谷歌創建了一個名為Sycamore 的量子計算機，包含53 個量子比特。研究人員用它在執行了一系列操作僅須200 秒，而頂尖超算Summit 完成相同超算則需要10,000年。谷歌預計，量子計算機的性能將以“雙指數速率”增長，遠超主宰經典計算機的摩爾定律。

IBM對Google論文的質疑

IBM認為谷歌對執行具體計算並沒有已知的用途，就不足以證實這個機器的通用性。這也是IBM 的研究部主管Dario Gil質疑谷歌該53 Qubuts量子計算進展的疑點。首先他認為，谷歌的系統是專門用於解決單個問題的專用硬體，並沒有證明通用性。這點與IBM 所設計量子運算，是不相同的。

對於量子計算機遠勝於經典計算機的絕對'霸權'地位，他認為，其實兩者各有千秋，各司其職，對於許多問題，經典計算機將仍然是最佳使用工具。事實上，對於許多計算來說，量子機比傳統機器要慢。目前，僅少數演算法適合在量子計算機方能顯現優勢。IBM衡量標準是使用“量子優勢”（Quantum Advantage）而不用 “量子霸權”。

結語

其實，在2017年底，谷歌曾發表72 Qubits量子處理晶片Bristlecone。但不清楚，未來拿來做甚麼用、解決何用途？推測可能將72個量子比特連接在一起的系統太難控制了。所以，Google對系統進行了改造，創建Sycamore的53比特設計。該系統的任務是證明隨機數生成器(random-number generator)確實是隨機性的。儘管這項工作幾乎沒有實際應用，但谷歌研究人員表示：這種計算能力的其他最初用途，包括用於機器學習、材料科學和化學。

目前，構建量子計算機須面對兩個嚴峻挑戰：糾正錯誤及串擾（crosstalk）問題。尤其當量子比特越多，易產生量子位會相互干擾，這問題的解決就變得越困難。對於量子計算機來說，即使是很小的溫度變化或微小的振動也會破壞量子比特的微妙狀態。在任何時間尺度內維持量子比特都非常困難，於是，退相干技術（Quantum decoherence）也就是解決微妙的量子性質的問題。

其實，2018年底，由美國國家科學院、工程院和醫學院聯合組建的專家委員會發布了一份長達205 頁的報告 Quantum Computing: Progress and Prospects（量子計算：成果與展望），旨在提供一個獨立的評估報告，分析關於建造一個能解決現實全球性問題的實用量子計算機的可行性。報告的結論，認為想要5 到10 年後，擁有一台功能強大無比的量子計算機，這種可能性微乎其微。

另一重要觀察點，就是IBM將於下個月(2019.10)推出53 Qubits量子計算機於雲端供研究人員和企業使用，這應該是一部通用型量子計算機。須經一段使用時間後，就可知道量子計算機實現優勢，距離商業市場到底有多遠或近了？(1379字；圖1)

參考資料：
Google claims to have reached quantum supremacy. Financial Times, 2019/9/21.
谷歌到底有無實現“量子霸權”？IBM 專家質疑：谷歌的宣稱是錯的，沒有絕對霸權。麻省理工科技評論(From Tech to Deeptech)，2019/9/24。
Quantum Computing: Progress and Prospects. NAP, 2018
IBM推出53比特量子計算機供研究人員和企業使用。科技產業資訊室(iKnow)，2019/9/19。
量子霸權與量子處理器，如何結合CPU / GPU？科技產業資訊室(iKnow)，2018/3/14。

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