[论文解读] Comment on "Quantum supremacy using a programmable superconducting processor"

Karl Svozil|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2019

Quantum chaos and dynamical systems参考文献 2被引用 4

一句话总结

本文挑战了量子优越性的主张，认为谷歌的Sycamore处理器尽管在采样随机量子线路这一特定任务上效率很高，但并未实现通用计算能力。文章认为，具有横向同宿轨道的经典混沌系统在某些任务上可超越经典与量子架构的表现，且量子随机数生成器已通过提供真实随机性，违反了原始的邱奇-图灵论题，这种随机性是任何经典或量子伪随机算法无法实现的。

ABSTRACT

Even if Google AI's Sycamore processor is efficient for the particular task it has been designed for it fails to deliver universal computational capacity. Furthermore, even classical devices implementing transverse homoclinic orbits realize exponential speedups with respect to universal classical as well as quantum computations. Moreover, relative to the validity of quantum mechanics, there already exist quantum oracles which violate the Church-Turing thesis.

研究动机与目标

• 质疑谷歌的Sycamore处理器是否真正超越了狭窄计算任务，展现出量子优越性。
• 检验具有横向同宿轨道的经典混沌系统是否能在特定计算任务上实现对通用经典与量子架构的指数级加速。
• 评估量子随机数生成器是否已通过提供经典或量子伪随机算法无法实现的真实随机性，展现出根本性优势，从而违反原始邱奇-图灵论题。
• 澄清特定任务计算效率与通用计算能力之间的区别。

提出的方法

• 分析Sycamore处理器的计算局限性，强调其虽具可编程性，但缺乏通用计算能力。
• 回顾经典混沌系统，特别是表现出横向同宿轨道的系统，作为可在特定任务上实现指数级加速的物理系统。
• 研究量子随机数生成器作为物理实现，其输出不可约的随机性，从而违反邱奇-图灵论题。
• 从计算速度与理论极限的角度，比较量子预言机、经典混沌系统与通用图灵机的计算能力。
• 以扩展的邱奇-图灵论题作为基准，评估量子优势的主张。
• 主张若量子力学成立，则量子预言机已对所有经典与量子伪随机算法展现出绝对优势。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有横向同宿轨道的经典混沌系统是否能在特定计算任务上超越通用经典与量子计算机？
• RQ2 Sycamore处理器的表现是否构成一种稳健的量子优越性形式，还是仅限于一类狭窄的问题？
• RQ3 量子随机数生成器是否已通过提供经典或量子伪随机算法无法实现的真实随机性，违反原始邱奇-图灵论题？
• RQ4 在标准理论计算机科学定义下，Sycamore处理器的‘完全可编程’通用计算主张是否成立？
• RQ5 非通用计算机系统是否仍能相对于通用架构展现出指数级加速？

主要发现

• 尽管Sycamore处理器在采样随机量子线路方面效率很高，但其无法支持通用计算或高效求解NP完全问题。
• 具有横向同宿轨道的经典混沌系统，可在特定任务上对通用经典与量子架构实现指数级加速。
• 此类经典混沌系统虽不构成通用计算机，但仍展现出违反扩展邱奇-图灵论题的计算优势。
• 基于量子力学互补性与语境性的量子随机数生成器，已提供经典或量子伪随机算法无法复制的真实随机性优势。
• 此类量子预言机的存在，构成对原始邱奇-图灵论题的违反，而不仅是对扩展版本的违反。
• 本文结论认为，量子优越性的主张被夸大了，因为类似甚至更大的优势早已存在于经典混沌系统与商用量子随机数生成器中。