量子优势需要多少量子比特

从理论上讲，可以证明量子计算机比任何超级计算机都强大，现在，科学家已经计算出量子计算机需要什么才能达到这种“量子优势”，以及谷歌去年所声明的是否实现了这一点。

经典计算机通过晶体管的开或关将数据符号化为1或0，而量子计算机使用量子比特（qubit），由于量子物理的奇异性质，它们可能处于叠加状态，即它们同时为1和0。

叠加可以让一个量子比特同时执行两次计算，如果两个量子比特通过一种称为纠缠的量子效应联系在一起，它们可以帮助同时执行22或4次计算；3个量子比特，23或8次计算；以此类推。原则上，一台拥有300个量子比特的量子计算机可以在瞬间进行比可见宇宙中的原子数更多的计算。

需要多少个量子比特才能实现对标准计算机的量子优势，这一点仍然存在争议。去年，谷歌声称仅用53个量子比特就实现了量子优势，在200秒内完成了一个计算，该公司估计，世界上最强大的超级计算机需要1万年。但IBM的研究人员在一篇博客文章中辩称，“在经典系统上，同样任务的理想模拟可以在2.5天内完成，而且保真度要高得多。”

为了了解达到量子优势可能的实际要求，研究人员分析了三种不同的量子电路方法，这些量子电路可能解决传统计算机理论上认为难以解决的问题。瞬时量子多项式时间(IQP)电路是将量子比特连接到量子电路的一种特别简单的方式。量子近似优化算法(QAOA)电路更先进，使用量子比特来寻找优化问题的良好解决方案。最后，玻色子采样电路使用光子而不是量子比特，分析光子相互作用后的路径。

假设这些量子电路与每秒浮点运算能力高达1018次的超级计算机竞争，研究人员计算出，达到量子优势，使用IQP电路需要208个量子比特，使用QAOA电路需要420个量子比特，使用玻色子采样电路需要98个光子。

这项研究的主要作者、加州理工学院(California Institute Of Technology)量子物理学家亚历山大·达尔泽尔(AlexanderDalzell)表示：“有点惊讶的是，我们最终能够得出一个与现有设备中看到的相差不远的数字。第一种方法我们曾建议需要10000个或更多量子比特，第二种方法建议仍然需要近2000个量子比特。最后，在第三种方法中，我们能够消除分析中的大量开销，并将数字减少到我们引用的仅仅数百个量子比特。”

研究人员补充说，即使量子比特更少，量子优势也有可能实现。达尔泽尔说：“一般来说，我们做了很多可能没有必要的最坏情况假设。”

当谈到谷歌时，研究人员指出，该公司的说法很难分析，因为谷歌选择了一项量子计算任务，这项任务很难与经典计算中的任何已知算法相比较。

达尔泽尔说：“据我所知，在没有巨大资源的情况下，他们用量子设备做了一些我们不知道如何在经典设备上做的事情，我认为这种说法基本上是准确的。我不太相信没有什么尚未发现的经典模拟算法，如果我们知道的话，就能让我们在现实的经典设备上复制谷歌的实验，甚至是他们实验的更大版本。需要明确的是，我并不是说我认为这样的算法存在。我只是说，如果它确实存在，也不会完全令人惊讶。”

“当我们做了一些我们不知道如何用经典设备做的事情时，我们是否已经达到了量子计算优势？或者，我们真的想确信吗？即使使用我们可能还没有发现的算法，这也是不可能的。”达尔泽尔问道。“谷歌似乎相当明确地采取了前一种立场，甚至承认，他们期望算法创新将降低经典模拟的成本，但也期望量子设备的改进足以维持量子计算优势地位。他们依赖复杂性理论的论点，只是暗示经典模拟不太可能出现极端的改进。这绝对是一种站得住脚的解释。”

未来的研究可以分析量子优势估计如何处理量子电路中的噪声。达尔泽尔说：“当没有噪音的时候，量子计算优势的论点就有了相当坚实的基础。但加上噪音，你就会得到一些经典算法可能能够利用的东西。”

研究人员4月17日在线发表在《量子》杂志上的一项研究中详细介绍了他们的发现。

发布日期：2020年5月25日

来源：计算技术资讯