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在數(shù)據(jù)洪流時(shí)代，企業(yè)對(duì)高性能計(jì)算的需求與日俱增，這其中，量子計(jì)算成為最耀眼的小分隊(duì)。量子計(jì)算，顧名思義便是利用量子技術(shù)進(jìn)行信息處理的方法，基本原理已在之前發(fā)布的文章中有過(guò)不少次簡(jiǎn)析。

2018年初，有無(wú)數(shù)量子科學(xué)家預(yù)言，今年將是量子通信和量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)重大突破的一年。時(shí)間過(guò)去了5個(gè)月，這個(gè)預(yù)言正在一步步被驗(yàn)證。這次，我們來(lái)聊一聊最近呼聲很高的兩個(gè)大新聞：一個(gè)是前不久谷歌發(fā)布的72個(gè)量子比特量子處理器Bristlecone，一個(gè)是近日阿里巴巴達(dá)摩院的81比特量子電路模擬器“太章”。

猶記得谷歌的72個(gè)量子比特處理器Bristlecone發(fā)布之時(shí)，引起業(yè)界極大關(guān)注，因?yàn)樗鼘⒅捌毡檎J(rèn)為的50個(gè)量子比特所代表“量子霸權(quán)”生生拔高到72量子比特。（讓單純的人們誤覺(jué)得，谷歌早就實(shí)現(xiàn)了“經(jīng)典量子霸權(quán)”）然而，一個(gè)月左右的時(shí)間，阿里的達(dá)摩院便刷新了這個(gè)數(shù)字。國(guó)內(nèi)媒體更是將“81比特打臉谷歌”這樣的標(biāo)題放到頭條，以“彰顯”我國(guó)在量子計(jì)算領(lǐng)域“趕英超美”的揚(yáng)眉吐氣。

哎。毫無(wú)疑問(wèn)，各家還是在進(jìn)行“比特之爭(zhēng)”。但是，對(duì)于兩個(gè)僅限于模擬功能的處理器和平臺(tái)，只交代模擬出來(lái)的數(shù)量，而對(duì)數(shù)量背后所代表的“模擬意義”、與實(shí)體可發(fā)生量子糾纏的比特?cái)?shù)量之間的差異 閉口不提，這樣真的好嗎？所以，先別著急爭(zhēng)論阿里的81和谷歌的72哪個(gè)更厲害，不妨先來(lái)理解一下這兩個(gè)數(shù)字的真實(shí)屬性。

超越了49量子比特的谷歌72比特：是模擬出來(lái)的

回顧一下，谷歌處理器Bristlecone是什么？它是一個(gè)基于門(mén)電路的超導(dǎo)系統(tǒng)，它的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是為谷歌的量子技術(shù)提供系統(tǒng)錯(cuò)誤率和拓展性的研究測(cè)試平臺(tái)。然后，谷歌科學(xué)家用該測(cè)試平臺(tái)，“超現(xiàn)實(shí)”地使用了72個(gè)量子比特排成的正方形陣列的模擬。為什么選擇72這個(gè)數(shù)字來(lái)模擬呢？谷歌稱，這個(gè)數(shù)值能夠展示量子霸權(quán)的未來(lái)，僅此而已。

因此，這可以解釋許多量子小白的一個(gè)疑惑：為什么都實(shí)現(xiàn)72個(gè)量子比特了，量子霸權(quán)還沒(méi)到來(lái)。因?yàn)榱孔颖忍氐哪M只需要幾個(gè)矩陣乘法，它仍是基于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的性能，而不是拿真正的糾纏量子對(duì)兒（即比特）來(lái)做實(shí)驗(yàn)的。而真正的量子計(jì)算機(jī)是需要召喚72個(gè)穩(wěn)定的糾纏量子比特的。太！難！了！從模擬到實(shí)體樣品比特，再到穩(wěn)定可用比特，有著太多未知的鴻溝。年內(nèi)實(shí)現(xiàn)的霸氣宣言，大家也就聽(tīng)聽(tīng)就算了。

當(dāng)然，谷歌能用矩陣乘法的邏輯線路模擬出來(lái)72個(gè)量子比特，也有著相當(dāng)?shù)难芯績(jī)r(jià)值：

• 首先，沒(méi)有模擬就沒(méi)有藍(lán)圖的輪廓，模擬器是量子計(jì)算機(jī)商用的必然步驟。谷歌希望通過(guò)Bristlecone處理器的模擬，通過(guò)面編碼研究一階和二階糾錯(cuò)的使用，促進(jìn)量子算法在實(shí)際硬件上的落地指南。

• 其次，測(cè)試階段可以將容錯(cuò)率、實(shí)現(xiàn)難度研究等方面的工作前置和必要的糾錯(cuò)。比如，谷歌72量子比特的模擬結(jié)果顯示，有三個(gè)方面表現(xiàn)卓越：低的讀數(shù)錯(cuò)誤率（1%）、單量子比特門(mén)（0.1%）以及最重要的雙量子比特門(mén)（0.6%）。

• 第三，應(yīng)用探索。無(wú)論是多么先進(jìn)的技術(shù)，總應(yīng)該以市場(chǎng)和需求為基礎(chǔ)展開(kāi)，量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用展望雖然很廣，但細(xì)處著手的探索也不可或缺。谷歌Bristlecone處理器就可用于探索量子優(yōu)化以及量子AI方面的應(yīng)用。

再來(lái)說(shuō)超越了谷歌72比特的阿里81比特“太章”：說(shuō)“打臉”有點(diǎn)早

近日，阿里巴巴達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室宣布研發(fā)出當(dāng)前世界最強(qiáng)的量子電路模擬器“太章”，率先成功模擬了81比特40層作為基準(zhǔn)的谷歌隨機(jī)量子電路。此前，達(dá)到這個(gè)層數(shù)的模擬只能處理49比特。

既然都是模擬，這個(gè)數(shù)值的超越是否表明“太章”可以榮登“世界最強(qiáng)量子電路模擬器”之位呢？私以為，超越的意義雖有，但要說(shuō)打臉谷歌，有點(diǎn)言過(guò)其實(shí)了。

首先，上文已經(jīng)說(shuō)過(guò)，在進(jìn)行真正的量子比特研制之前，模擬的意義較大，它不僅是展望巨量比特的計(jì)算宏圖，更重要的是探索其可行性。這就包括穩(wěn)定性、容錯(cuò)率、實(shí)現(xiàn)機(jī)制及實(shí)現(xiàn)難度等諸多方面，畢竟模擬的最終目的是實(shí)現(xiàn)。如果不考慮穩(wěn)定性和實(shí)現(xiàn)路徑，即便有81個(gè)量子比特的宏偉藍(lán)圖，沒(méi)有低容錯(cuò)率、單雙量子比特門(mén)的數(shù)據(jù)作為落地后盾團(tuán)，還是難以服眾。舉一個(gè)通俗的例子，在模擬考試中單科成績(jī)超棒，是否能在高考中進(jìn)入頂級(jí)學(xué)府，還是差不少的。

其次，國(guó)內(nèi)媒體在zm貿(mào)易戰(zhàn)的語(yǔ)境下紛紛戲精上身，不僅捧殺阿里說(shuō)人家打臉谷歌，更用“切斷了谷歌‘量子霸權(quán)’的美夢(mèng)”來(lái)YY阿里量子計(jì)算的實(shí)力。不得不說(shuō)，你們好歹分分主要矛盾和次要矛盾、矛盾的主要方面和次要方面好嗎！量子霸權(quán)就是一個(gè)數(shù)字、一個(gè)界限，誰(shuí)先實(shí)現(xiàn)誰(shuí)就先到達(dá)，阿里不過(guò)是模擬了81個(gè)“沒(méi)那么穩(wěn)定好用”的量子比特，媒體戲精們還紛紛玩起了排位賽，你們還真是“早慧”??！

但是，話說(shuō)回來(lái)，“太章”實(shí)現(xiàn)的81個(gè)量子比特模擬有沒(méi)有重大意義？有的！“太章”首次使得驗(yàn)證及測(cè)試50-200量子比特的“中等規(guī)?！绷孔铀惴ǔ蔀榭赡?在它的模擬中，谷歌的量子領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)可能會(huì)暫時(shí)落空。在未來(lái)，它將輔助設(shè)計(jì)中等規(guī)模量子算法、量子軟件乃至量子計(jì)算機(jī)。

而且，這不僅是達(dá)摩院量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室的重大進(jìn)步，也是阿里綜合實(shí)力的一次彰顯。那么問(wèn)題來(lái)了：“太章”有哪些厲害之處，實(shí)現(xiàn)了之前谷歌Bristlecone未能實(shí)現(xiàn)的數(shù)值的呢？

首先，達(dá)摩院采用了先進(jìn)的模擬方法。

目前，業(yè)界主流的模擬方案有兩類，一類是存儲(chǔ)量子狀態(tài)的所有振幅，一類是對(duì)于任意振幅都可以迅速計(jì)算得到結(jié)果。第一類模擬方案，基本都在超級(jí)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榇鎯?chǔ)45比特的量子狀態(tài)需要Petabyte級(jí)的內(nèi)存，在存儲(chǔ)這么多數(shù)據(jù)的同時(shí)對(duì)該量子態(tài)進(jìn)行操作并進(jìn)行計(jì)算，需要不斷地在不同的計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間交換數(shù)據(jù)，這樣的通訊開(kāi)銷對(duì)于普通云服務(wù)是難以承受的。

實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)采用了第二類模擬方案，通過(guò)快速有效的計(jì)算任意振幅，任務(wù)拆分后可以將子任務(wù)十分均衡地分配到不同節(jié)點(diǎn)，極少的通信開(kāi)銷使得模擬器適配現(xiàn)在廣泛提供服務(wù)的云計(jì)算平臺(tái)。

其次，基于阿里云的計(jì)算平臺(tái)在線集群對(duì)此次模擬提供了強(qiáng)大支撐。雖然量子隨機(jī)電路模擬并不像真正的量子計(jì)算機(jī)那樣需要極為高深的計(jì)算能力，但在時(shí)間限制和計(jì)算資源限制的條件下，還能實(shí)現(xiàn)量子比特的突破，離不開(kāi)阿里云強(qiáng)大資源作為后盾力量。

“太章”的另一大亮點(diǎn)是通信開(kāi)銷極小。在64（8x8）比特40層的模擬中，“太章”只需2分鐘即可完成??！且只動(dòng)用阿里巴巴計(jì)算平臺(tái)在線集群14%的計(jì)算資源。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)還成功模擬了9x9 x40也就是81比特40層隨機(jī)電路，還分別成功模擬了100比特35層（10x10x35）, 121比特31層（11x11x31）與144比特27層（12x12x27）的隨機(jī)量子電路。

結(jié)語(yǔ)

此次阿里和谷歌的“量子模擬”的綜合較量詳情就是這樣，如果下個(gè)月哪家巨頭再祭出“打臉阿里！xx宣布推出%￥#￥%量子比特！”這樣的大新聞，請(qǐng)各位打起12分的小心，先全方位辨?zhèn)€遍再入戲。

順便提一下，模擬之于量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)固然重要，對(duì)于實(shí)現(xiàn)機(jī)制的研究卻更為難得，而微軟就是在實(shí)現(xiàn)路徑和方法（拓?fù)淞孔訉?shí)現(xiàn)路徑，且保證極高的量子比特實(shí)體穩(wěn)定性）上甘坐冷板凳的選手，若他選擇起跑，厚積薄發(fā)，會(huì)給業(yè)界帶來(lái)怎樣的反轉(zhuǎn)？最近，微軟宣布計(jì)劃借助“天使粒子”實(shí)現(xiàn)“彎道超車”——在五年內(nèi)造出第一臺(tái)擁有100個(gè)拓?fù)淞孔颖忍氐牧孔佑?jì)算機(jī)。（注意，不是模擬！）

微軟這個(gè)夢(mèng)想靠譜嗎？有緣的話，量子物語(yǔ)下回聊。