谷歌量子霸权的底层架构

谷歌实现量子霸权的论文于24日正式发表，新闻评论已经很多，但是大多流于泛泛，甚至诸多谬误。华人从事超导量子计算机的人数也不少，但是可能因为超导量子计算机圈子不太大，从业人员说话比较谨慎，目前还没读到圈内人太多细读。我七年前有幸面试了加州大学圣特芭芭拉分校的克利兰德教授和马提尼斯教授合作项目的博士后空缺。马提尼斯教授的小组后来整体加入$谷歌C(GOOG)$，是谷歌量子计算机项目的主持人。那时候机缘未到，我后来并没有加入量子计算机的大潮，而且去美东某联邦机构揾食，但是那时候对量子计算机还真的花了不少心思去了解。斗胆抛砖引玉，试着讲两句。

本文甚长，读者慎入。

量子计算机依赖于量子比特。所谓量子比特，只要是一个有两个状态的量子态便可以。量子态虽然在日常生活中讲起来有如神话，在实验里看到量子态并不是太难，所以实现量子比特的物理系统其实很多，比如中科大比较擅长的光量子系统，诺贝尔奖得主Wineland专长的离子系统等等，当然还有这篇文章的主角——超导量子系统。
超导是一种多电子形成的宏观量子态，最早发现的超导现象是在低温下，导体的电阻突然降低为0. 在超导量子系统中呢，简单地讲，就是你有一个电感电容振荡系统（如下图左上角，严格讲还有一个约瑟夫森结），但是这个振荡模里头的能量如此地低，如此地接近于0. 以至于这里面只能容下0和1两个量子态（大概如下图左下示例）。这就形成了一个量子比特。

那么相比其他量子比特系统，为什么超导量子比特系统首先实现了量子霸权呢？它有什么优势呢？
我们就先要谈谈量子计算机到底需要多少个量子才比传统计算机强。量子计算最早的算法之一是Shor算法，这个算法可以因式分解大质数的乘积（我有两个大质数p和q，我告诉你两者乘积，你用传统计算机需要极其极其长的时间才能算出p和q），从而破解很常见的一种加密算法——RSA算法。而如果要解决一个传统计算机解决不了的大质数分解的问题，需要多少量子比特呢？大概需要4000个。
目前量子霸权的量子系统有多少个量子比特呢？54个。其中还有一个坏了。所以是53个。
等一等，其实我还有一件事情没有告诉你。我前面说的几千个量子比特说的是逻辑量子比特，也就是一个能完整完成高保真度量子运算的量子比特系统。而谷歌的系统的53个，说的是53个物理量子比特。一般认为，至少要9个物理量子比特才能组成一个逻辑量子比特，这还没算上其他控制电路带来的麻烦。
也就是说，谷歌的系统只相当于5个逻辑量子比特，至少还要大规模化1000倍，我们才能在Shor算法上和传统计算机扳一下手腕。
不要沮丧，其实这里就是为什么超导量子比特的优越之处。
超导量子比特是用集成电路的技术制成的。相对而言，显然超导量子比特的可规模化较好。很难想象如果用光量子系统来搭一个几千个逻辑量子比特，光量子系统都是一个个是厘米级别的光震荡腔，各个控制系统也都是一个个光路元件，即便不考虑各种控制系统，几万个物理量子比特（几千个逻辑比特）大概也需要一层楼来运行。
而超导系统不同，一个个比特都集成在芯片上。当年二极管不是就是转移到了集成电路上么？不是几十年间，集成电路上就能够集成了几亿倍之多的场效应管了么？
这想必是谷歌当年选中马提尼斯小组的原因。当年面试时便听到马提尼斯教授谈论一个新的金主选择了他的技术路线，事后想来，那就是谷歌X部门做了选择。
当时超导量子学术界比较火的一个概念是混合量子系统，又称三维量子，由在耶鲁大学的Schoelkopf小组发明。简单讲就是微波震荡电路进一步变大，变成了一个类似传统微波腔，超导芯片放在微波腔里面。这个系统的特点是量子比特的量子态保持时间很长，术语叫做相干时间长。原因很简单，就是三维微波腔的Q值远比在芯片表面上制备出来的二维LC震荡的Q值要高。
相干时间长是非常重要的。每次量子运算都需要一定的时间，如果相干时间不够长，那么没有几次量子运算之后，量子比特就已经失去了量子性，谈不上是量子计算机了。
既然如此，那么为什么谷歌没有选择Schoelkopf小组的三维量子比特的路线呢？
三维量子比特既然需要一个三维微波谐振腔，其体积便不再是芯片上的微米级别，也进入了类似光量子的至少厘米的尺寸级别了。等于说为了量子态的持久，三维量子比特放弃了超导量子比特系统的可规模化的优势。而如果你不要可规模化，哪何必要困在超导系统里呢？光量子系统的相干时间比超导系统可以长久得多。

换句话讲，在数目多和时间长之间，谷歌选择了多。谷歌认为持久时间长，可以继续通过技术磨练，而体积上如果牺牲了集成电路的特点，就是路线图上的错误。

究竟这个路线图是对是错，目前判断为时太早。我们知道的是，确实在过去十几年内，超导芯片上可集成的物理量子比特数目不断增加。类比于摩尔定律，Schoelkopf教授曾经半开玩笑地提出了Schoelkopf定律，也就是每几年芯片集成的量子比特数目翻倍，每三年相干时间翻十倍。

Schoelkopf定律真的是可持续的么？虽然量子计算机的支持者们认为并没有物理定律上的限制，但是在工程上看挑战很大，并不乐观。主要问题不是什么7 nm，10 nm，良品率。我的理解是，这里我们又撞上了这个相干时间。如果你的相干时间不变，打个比方，可以支持量子A和10个其他量子做耦合，做100次基本运算。那么你的量子数目增加10倍，并没有太大作用，因为你无法完成需要更多操作的更复杂的运算，你的量子A还是只能和10个其他量子做耦合，还是只能做100次运算，因为再多做几次，你的量子A已经不是量子了。
更糟糕的是，其实每一次量子操作都是一次退相干的干扰，更多的操作自然地让你的相干时间更差。因为你的操作在本质上都是让量子器件被你的经典机器干扰。
另外一个大问题是布线，量子数目上去以后，不可能都是互相之间相邻，那么如何和远距离的量子进行高保真的操作？
另外，如果计算机架构还是冯诺依曼架构，是否需要存储器？又由什么系统完成长时间的量子态存储？……
如此技术困难，不一而足。侧面也可反映，谷歌的量子霸权实验，虽然只有53个量子比特，互相的耦合也相对简单，但是无疑是个了不起的成就。
这里你的一个疑惑大概一直没有解开：既然我们说量子计算机在Shor算法上胜过你手上的苹果手机需要几万个物理量子，为什么谷歌系统53个物理量子就做到了超越一切传统计算机？
答案是，谷歌系统不是一个通用型的量子计算机。或者，它根本不是计算机。如果你一定要问它是什么。
我的理解是，它只是它自己。

为了节约您的脑力，这一堂课先上到这里。关注@JZee ，且听下回分解。

附送一个题外八卦：
克利兰德小组和马提尼斯小组在2008年第一次观测了宏观机械结构（体波振荡器）的基态量子态，实验非常精妙，我觉得假以时日，很可能得诺贝尔奖。

$IBM Corp(IBM)$$微软(MSFT)$
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