IBM 在最新的部落格和論文中反駁了谷歌「實現量子霸權」的說法。
雖然谷歌並沒有對「實現量子霸權」一事做出回應，相關論文也在上傳後不久刪除，但關於此事的報導卻是鋪天蓋地。有人認為這是迄今為止表明量子計算機超越傳統架構計算機，並走向實用化最為強烈的跡象。但也有內部人士對這一成果表示懷疑。
早在訊息傳出的第一時間，IBM 的研究主管 Dario Gil 就提出過質疑，稱「該實驗和『霸權』這種字眼幾乎會對所有人產生誤導。」
時隔一個月，IBM 終於拿出了重量級的反駁依據。
昨天，IBM 的研究者在 arXiv 上發表了一篇名為《Leveraging Secondary Storage to Simulate Deep 54-qubit Sycamore Circuits》的論文，稱在經典超級計算機上模擬谷歌的量子電路根本不需要一萬年，2 天半就能做到。當然，這個 2 天半也是估算。
論文：https://arxiv.org/pdf/1910.09534.pdf
在之前的一篇論文中，IBM 的研究者曾證明二級儲存（Secondary Storage，即計算機主儲存器或記憶體之外的所有可訪問資料儲存器）可以擴充套件經典計算機能夠實際模擬的量子電路的範圍。於是，他們將這種方法用到了谷歌 Sycamore 電路（谷歌「量子霸權」實驗中用到的電路）的模擬中。他們估計，在橡樹嶺國家實驗室的世界第一超算 Summit 上，二次儲存可以用來模擬谷歌 53、54 量子位元的 Sycamore 電路，而且對任意深度都具有高保真度。
谷歌的 Sycamore 量子電路是一種「通用隨機電路」。電路中一個 20 個週期的糾纏模式——ABCDCDAB 是專門為挑戰經典模擬演算法而設計的，已經被證明很難用其他方法在經典計算機上進行模擬。IBM 的科學家估計，用二級儲存模擬谷歌 Sycamore 電路只需花費 2 天半的計算時間。
這些計算雖然沒有進行，但 IBM 的研究者在論文中詳細描述了模擬策略和時間估算方法，這些都基於之前釋出的結果和內部基準。
也就是說，谷歌並未完全利用如今超級計算機的算力，因此他們宣稱的測試結果是有問題的。
在近日發表的部落格中，IBM 專家做了詳細的闡述。機器之心整理如下：
谷歌量子霸權測試有缺陷
如今，量子計算領域的最新進展帶來了兩個 53 量子位元的處理器，一個來自 IBM 的處理器，另一個是谷歌論文中所描述的裝置。
在論文中，谷歌生成自己的裝置實現了量子霸權：「一臺最先進的超級計算機將需要大約一萬年的時間來執行相同的任務。」
但 IBM 認為，同樣的任務，傳統系統兩天半就可以執行理想的模擬，且保真度更高。IBM 還表示，這是一個保守的、最壞情況下的估計，透過進一步的最佳化，模擬的成本還可以再降低。
量子霸權一詞，由加州理工學院的量子理論學家 John Preskill 在 2012 提出，最初的含義是指量子計算機可以完成傳統計算機無法完成的工作。IBM 表示，這一臨界值目前還沒達。
在「實現量子霸權」的那篇論文中，谷歌進行了一個隨機電路實驗，該實驗被認為無法在任何現有的經典計算機上進行模擬。具體來說，該論文展示了一個在 53 量子位元的量子計算機上進行的實驗，在實驗中，研究者實現了一個深度為 20 的雙位元門量子電路，包括 430 個雙量子位元和 1113 個單量子位元門，總體保真度預計為 0.2%。他們估計經典計算機需要 10000 年才能完成計算的說法基於以下觀察：在薛定諤式（Schrödinger-type）的模擬中，儲存完整狀態向量所需的 RAM 記憶體過高，因此，我們需要藉助薛定諤-費曼（Schrödinger-Feynman）模擬方法，犧牲空間來換取時間。
「量子霸權」的概念展現的是量子計算機的獨特之處，譬如直接進行「糾纏態」和「疊加態」。然而，傳統計算機也有自己的方法，例如儲存器層次結構、硬體高精度計算、各種軟體配置和強大的演算法庫。IBM 認為，在比較傳統計算和量子計算的時候，要注意權衡這些要素。
在和經典計算進行比較的時候，谷歌依賴的是一種利用並行、快速、無誤計算的高階模擬以及很大的聚集（aggregate）RAM，但沒有充分考慮足夠的磁碟儲存空間。相比之下，IBM 的薛定諤式經典模擬同時用 RAM 和硬碟空間來儲存和操作狀態向量。他們的模擬方法利用了電路劃分（circuit partitioning）、張量收縮遞延（tensor contraction deferral）、門聚合（gate aggregation）、batching 等效能增強技術以及精心設計的聚合通訊和其他一些著名的最佳化方法，以實現混合節點的 CPU 和 GPU 部件上發生的計算之間的通訊重疊。
圖 1：預期經典計算時間與谷歌 Sycamore 電路的電路深度分析。藍線估計了 53 量子位元處理器的經典計算執行時間（電路深度為 20 時需要兩天半），橙線估計了 54 量子位元處理器的經典計算執行時間。
IBM 表示，自己的模擬方法具有很多並不會直接從經典世界轉移到量子世界的良好特性。例如，一旦以經典方法計算，則完整狀態向量可以實現任意多次訪問。IBM 模擬方法的執行時間隨電路深度呈近似線性擴充套件 (見上圖 1)，不受有限相干時間等條件的限制。新的更好的經典硬體、更有效利用經典硬體的最佳化程式碼以及利用 GPU-direct 通訊來執行某種最強模擬，這些都可以極大地加速模擬。
最終，IBM 表示，谷歌的實驗很好地展示了超導量子計算的進展，也展示了 53 量子位元裝置上的 SOTA 門保真度，但不應被視為量子計算機實現對傳統計算機「霸權」的證明。
量子霸權：過於搏眼球
除了反駁谷歌「實現量子霸權」，IBM 還「吐槽」了「量子霸權」這一詞。
我們知道，作為國際上兩家全力推進量子計算研發的頂級科技巨頭，谷歌提出「量子霸權（quantum supremacy）」，IBM 提的是「量子優勢（quantum advantage）」。
顯而易見，從名字上來說後者要溫和得多。
最近，John Preskill 在 Quanta 雜誌上發表了一篇文章《What I Call It 『Quantum Supremacy』》，討論了「量子霸權」一詞的起源，既有合理的辯護，也反思了其爭議之處。
在文中，Preskill 教授總結了公眾對這個詞的兩個主要反對意見。他解釋稱，這個詞「使得對過度炒作的量子技術報導更加肆無忌憚」，並且「透過聯絡到白人至上的理念，又引發了令人反感的政治立場」。
IBM 在部落格中表示，這兩種反對意見都是合理的。IBM 還補充一點，「霸權」一詞正被幾乎所有人所誤解 (量子計算專家除外，他們可以把「霸權」一詞放在合適的語境中)，與「量子霸權實現」相關的標題也將不可避免地誤導公眾。首先，正如上文所爭論的那樣，根據其最嚴格的定義，「量子霸權」的目標尚未實現。但更重要的是，由於每種計算機都有其獨特的優勢，量子計算機永遠不會「凌駕」於傳統計算機之上，而是與它們協同工作。
基於以上原因，IBM 認為，「量子霸權」一詞受到了廣泛的誤解，並帶來了混亂。
此外，IBM 還督促社群對「量子計算機首次做到了傳統計算機無法實現的一些事情」，這一宣告保持懷疑態度，因為對度量指標建立合適基準是極其複雜的。
為了促使量子對社會產生積極影響，IBM 表示，未來的任務是繼續構建和廣泛應用更強大的可程式設計量子計算系統，這些系統可以重複性和可靠地實現廣泛的量子演示、演算法和程式。這是在量子計算機中實現實際解決方案的唯一途徑。
參考連結：
https://arxiv.org/abs/1910.09534
https://www.ibm.com/blogs/research/2019/10/on-quantum-supremacy/