描述量子计算崛起的新定律—Neven定律
老胡说科学2019-06-19 20:40
2018年12月，谷歌人工智能公司的科学家对谷歌最好的量子处理器进行了计算。他们能够用一台普通的笔记本电脑重现计算结果。今年1月，他们对改进版的量子芯片进行了同样的测试。这次他们不得不使用一台功能强大的台式电脑来模拟结果。到今年2月，大楼里再也没有任何可以模拟量子计算机的经典计算机了。研究人员不得不在谷歌庞大的服务器网络上请求更长的时间来完成这项工作。
这种快速的进步导致了所谓的“Neven定律”，这是一种新的定律，用来描述量子计算机与经典计算机相比的速度有多快。这条规则开始于内部观察，甚至在今年5月谷歌量子之春研讨会上，都没有提到“Neven定律”。量子计算机正以“双指数”速度(惊人的快)获得相对于传统计算机的计算能力。
以双指数增长，看起来什么也没有什么特别的，然后突然进入了一个不同的世界。这就是量子计算机正在经历的。指数增长相当快，这意味着，一些数量的增长以2的幂次增长：2^1，2^2，2^3，2^4。前几次增加可能不那么明显，但随后的跳跃是巨大的。摩尔定律是一种着名的指导方针，说明计算能力每两年翻一番，是指数级的。
双指数增长更加恐怖。数量不是以2的幂次增长，而是以2的幂次增长：2^(2^1)，2^(2^2)，2^(2^3)，2^(2^4)。最近的量子故事《计算机科学家拓展可验证知识的前沿》描述了某些计算问题增加复杂性的极端速度。双指数增长是如此的奇特，以至于在现实世界中很难找到这样的例子，量子计算的发展速度可能是第一。
根据Neven的说法，量子计算机超越经典计算机的双指数速度是两个指数因子相互结合的结果。首先，量子计算机与经典计算机相比具有内在的指数优势：例如，如果一个量子电路有4个量子比特，那么它需要一个有16个普通比特的经典电路来实现等效的计算能力。即使量子技术从未改进过，这也是事实。
第二个指数因子来自于量子处理器的快速改进。Neven说，谷歌最好的量子芯片最近一直在以指数速度改进。(这种快速的改进是由量子电路错误率的降低所驱动的。Neven说，降低错误率使工程师们能够建造更大的量子处理器。)如果经典计算机需要指数级的计算能力来模拟量子处理器，而这些量子处理器随着时间指数级的增长变得更加强大，那么量子和经典计算机之间就会出现这种双指数关系。
谷歌量子人工智能实验室主任Hartmut Neven说，量子计算机的能力正在以前所未有的速度增长。并非所有人都相信这一点。首先，经典计算机并不是停滞不前的。普通的计算机芯片在不断改进，即使摩尔定律可能会终结。此外，计算机科学家不断设计出更有效的算法，帮助经典计算机跟上步伐。
马里兰大学量子信息与计算机科学联合中心联席主任安德鲁·蔡尔兹说，“当权衡所有的情况时，包括经典和量子方面的改进，我很难说它是双指数的。”虽然量子计算机向经典计算机靠拢的确切速度可能存在争议，但毫无疑问，量子技术正在改进，而且速度很快。我认为，不可否认的事实是，这种进步让那些认为可伸缩量子计算行不通的人狠狠的打脸了，德克萨斯大学奥斯汀分校的计算机科学家斯科特·阿伦森在一封电子邮件中写道。“他们需要清楚地说明进展将在哪里以及为什么会停止。”
量子计算领域的一个重要目标是执行一个高效的量子计算，即使是最强大的经典计算机也无法在任何合理的时间内进行模拟。在开发量子计算机的不同研究小组中，谷歌对这个被称为“量子至上”的里程碑的追求尤其直言不讳。到目前为止，量子霸权被证明是难以捉摸的——有时似乎近在眼前，但从未触手可及。但如果Neven定律成立，它不可能离我们很远。Neven并没有说他预计谷歌团队将在什么时候实现量子霸权，但他承认这可能很快就会实现。
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