IBM直怼谷歌“实现量子霸权”：1万年太久，经典计算机只需2天半
编者按：本文来自微信公众号“机器之心”（ID：almosthuman2014），作者Synced，36氪经授权发布。
上个月，谷歌「实现量子霸权」的消息占据各大媒体的头版头条。《财富》、《金融时报》等多家外媒报道称，谷歌用一台 53 量子比特的量子计算机实现了传统架构计算机无法完成的任务，在世界第一超算需要计算 1 万年的实验中，谷歌的量子计算机只需 3 分 20 秒。
但近日，IBM 站出来反驳了这一说法，称谷歌的实验存在缺陷，「实现量子霸权」的说法也有待商榷。他们认为，在经典计算机上模拟谷歌量子计算机的结果其实只需要2.5天，而且保真度要高得多。
IBM 在最新的博客和论文中反驳了谷歌「实现量子霸权」的说法。
虽然谷歌并没有对「实现量子霸权」一事做出回应，相关论文也在上传后不久删除，但关于此事的报道却是铺天盖地。有人认为这是迄今为止表明量子计算机超越传统架构计算机，并走向实用化最为强烈的迹象。但也有内部人士对这一成果表示怀疑。
早在消息传出的第一时间，IBM 的研究主管 Dario Gil 就提出过质疑，称「该实验和『霸权』这种字眼几乎会对所有人产生误导。」
时隔一个月，IBM 终于拿出了重量级的反驳依据。
昨天，IBM 的研究者在 arXiv 上发表了一篇名为《Leveraging Secondary Storage to Simulate Deep 54-qubit Sycamore Circuits》的论文，称在经典超级计算机上模拟谷歌的量子电路根本不需要一万年，2 天半就能做到。当然，这个 2 天半也是估算。
论文：https://arxiv.org/pdf/1910.09534.pdf
在之前的一篇论文中，IBM 的研究者曾证明二级存储（Secondary Storage，即计算机主存储器或内存之外的所有可访问数据存储器）可以扩展经典计算机能够实际模拟的量子电路的范围。于是，他们将这种方法用到了谷歌 Sycamore 电路（谷歌「量子霸权」实验中用到的电路）的模拟中。
他们估计，在橡树岭国家实验室的世界第一超算 Summit 上，二次存储可以用来模拟谷歌 53、54 量子比特的 Sycamore 电路，而且对任意深度都具有高保真度。
谷歌的 Sycamore 量子电路是一种「通用随机电路」。电路中一个 20 个周期的纠缠模式——ABCDCDAB 是专门为挑战经典模拟算法而设计的，已经被证明很难用其他方法在经典计算机上进行模拟。IBM 的科学家估计，用二级存储模拟谷歌 Sycamore 电路只需花费 2 天半的计算时间。
这些计算虽然没有进行，但 IBM 的研究者在论文中详细描述了模拟策略和时间估算方法，这些都基于之前发布的结果和内部基准。
也就是说，谷歌并未完全利用如今超级计算机的算力，因此他们宣称的测试结果是有问题的。
在近日发表的博客中，IBM 专家做了详细的阐述。机器之心整理如下：
谷歌量子霸权测试有缺陷
如今，量子计算领域的最新进展带来了两个 53 量子比特的处理器，一个来自 IBM 的处理器，另一个是谷歌论文中所描述的设备。
在论文中，谷歌生成自己的设备实现了量子霸权：「一台最先进的超级计算机将需要大约一万年的时间来执行相同的任务。」
但 IBM 认为，同样的任务，传统系统两天半就可以执行理想的仿真，且保真度更高。IBM 还表示，这是一个保守的、最坏情况下的估计，通过进一步的优化，模拟的成本还可以再降低。
量子霸权一词，由加州理工学院的量子理论学家 John Preskill 在 2012 提出，最初的含义是指量子计算机可以完成传统计算机无法完成的工作。IBM 表示，这一临界值目前还没达。
在「实现量子霸权」的那篇论文中，谷歌进行了一个随机电路实验，该实验被认为无法在任何现有的经典计算机上进行模拟。具体来说，该论文展示了一个在 53 量子比特的量子计算机上进行的实验，在实验中，研究者实现了一个深度为 20 的双比特门量子电路，包括 430 个双量子比特和 1113 个单量子比特门，总体保真度预计为 0.2%。
他们估计经典计算机需要 10000 年才能完成计算的说法基于以下观察：在薛定谔式（Schrödinger-type）的模拟中，存储完整状态向量所需的 RAM 内存过高，因此，我们需要借助薛定谔-费曼（Schrödinger-Feynman）模拟方法，牺牲空间来换取时间。
「量子霸权」的概念展现的是量子计算机的独特之处，譬如直接进行「纠缠态」和「叠加态」。然而，传统计算机也有自己的方法，例如存储器层次结构、硬件高精度计算、各种软件配置和强大的算法库。IBM 认为，在比较传统计算和量子计算的时候，要注意权衡这些要素。
在和经典计算进行比较的时候，谷歌依赖的是一种利用并行、快速、无误计算的高级模拟以及很大的聚集（aggregate）RAM，但没有充分考虑足够的磁盘存储空间。相比之下，IBM 的薛定谔式经典模拟同时用 RAM 和硬盘空间来存储和操作状态向量。
他们的模拟方法利用了电路划分（circuit partitioning）、张量收缩递延（tensor contraction deferral）、门聚合（gate aggregation）、batching 等性能增强技术以及精心设计的聚合通信和其他一些著名的优化方法，以实现混合节点的 CPU 和 GPU 部件上发生的计算之间的通信重叠。
图 1：预期经典计算时间与谷歌 Sycamore 电路的电路深度分析。蓝线估计了 53 量子比特处理器的经典计算运行时间（电路深度为 20 时需要两天半），橙线估计了 54 量子比特处理器的经典计算运行时间。
IBM 表示，自己的模拟方法具有很多并不会直接从经典世界转移到量子世界的良好特性。例如，一旦以经典方法计算，则完整状态向量可以实现任意多次访问。IBM 模拟方法的运行时间随电路深度呈近似线性扩展 (见上图 1)，不受有限相干时间等条件的限制。
新的更好的经典硬件、更有效利用经典硬件的优化代码以及利用 GPU-direct 通信来运行某种最强模拟，这些都可以极大地加速模拟。
最终，IBM 表示，谷歌的实验很好地展示了超导量子计算的进展，也展示了 53 量子比特设备上的 SOTA 门保真度，但不应被视为量子计算机实现对传统计算机「霸权」的证明。
量子霸权：过于搏眼球
除了反驳谷歌「实现量子霸权」，IBM 还「吐槽」了「量子霸权」这一词。
我们知道，作为国际上两家全力推进量子计算研发的顶级科技巨头，谷歌提出「量子霸权（quantum supremacy）」，IBM 提的是「量子优势（quantum advanta
ge）」。
显而易见，从名字上来说后者要温和得多。
最近，John Preskill 在 Quanta 杂志上发表了一篇文章《What I Call It 『Quantum Supremacy』》，讨论了「量子霸权」一词的起源，既有合理的辩护，也反思了其争议之处。
在文中，Preskill 教授总结了公众对这个词的两个主要反对意见。他解释称，这个词「使得对过度炒作的量子技术报道更加肆无忌惮」，并且「通过联系到白人至上的理念，又引发了令人反感的政治立场」。
IBM 在博客中表示，这两种反对意见都是合理的。IBM 还补充一点，「霸权」一词正被几乎所有人所误解 (量子计算专家除外，他们可以把「霸权」一词放在合适的语境中)，与「量子霸权实现」相关的标题也将不可避免地误导公众。
首先，正如上文所争论的那样，根据其最严格的定义，「量子霸权」的目标尚未实现。但更重要的是，由于每种计算机都有其独特的优势，量子计算机永远不会「凌驾」于传统计算机之上，而是与它们协同工作。
基于以上原因，IBM 认为，「量子霸权」一词受到了广泛的误解，并带来了混乱。
此外，IBM 还督促社区对「量子计算机首次做到了传统计算机无法实现的一些事情」，这一声明保持怀疑态度，因为对度量指标建立合适基准是极其复杂的。
为了促使量子对社会产生积极影响，IBM 表示，未来的任务是继续构建和广泛应用更强大的可编程量子计算系统，这些系统可以重复性和可靠地实现广泛的量子演示、算法和程序。这是在量子计算机中实现实际解决方案的唯一途径。
参考链接：
https://arxiv.org/abs/1910.09534
https://www.ibm.com/blogs/research/2019/10/on-quantum-supremacy/
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