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「量子霸權(quán)」是什么?

時(shí)間:2019-11-12 20:59來(lái)源:網(wǎng)絡(luò)整理 瀏覽:
本文來(lái)自公眾號(hào)量子位(ID:QbitAI),作者栗子,原標(biāo)題《200 秒=超算 1 萬(wàn)年,Google 實(shí)現(xiàn)「量子霸權(quán)」論文上架隨即被撤回,

本文來(lái)自公眾號(hào)量子位(ID:QbitAI),作者栗子,原標(biāo)題《200 秒=超算 1 萬(wàn)年,Google 實(shí)現(xiàn)「量子霸權(quán)」論文上架隨即被撤回,引發(fā)全球熱議》,愛(ài)范兒經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

量子計(jì)算機(jī)用 3 分 20 秒完成的一項(xiàng)計(jì)算,全球最強(qiáng)大的超算 Summit 要花 1 萬(wàn)年。

這個(gè)成果,來(lái)自 Google 最新的量子計(jì)算研究,發(fā)表在 NASA 官網(wǎng)上。論文宣布,「量子霸權(quán)」實(shí)現(xiàn)了。

英國(guó)政府的量子技術(shù)顧問(wèn) Steve Brierley 說(shuō):

這是第一次有人證明,量子計(jì)算機(jī)的性能真的能超過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)。

是個(gè)了不起的成就。

另外,美國(guó)民主黨的總統(tǒng)參選人楊安澤,推特轉(zhuǎn)發(fā)了這則,引起強(qiáng)烈關(guān)注,一日便有 5100 人點(diǎn)贊:

大事啊,至少說(shuō)明,沒(méi)有什么破解不了的密碼了。

「量子霸權(quán)」是什么?

雖然,NASA 沒(méi)過(guò)多久便下架了這篇論文,但正因如此,人類(lèi)反而對(duì) Google 新的成果更加好奇了。

一窺論文

NASA 匆匆撤下了論文,我們?nèi)匀荒軓木W(wǎng)頁(yè)緩存中一窺論文的內(nèi)容。

Google 在論文摘要中說(shuō):

我們使用具有 53 個(gè)超導(dǎo)量子位的可編程處理器,占用狀態(tài)空間為 253≈1016。重復(fù)實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果會(huì)采樣相應(yīng)的概率分布。

我們使用經(jīng)典模擬進(jìn)行驗(yàn)證。雖然我們的處理器大約需要 200 秒來(lái)采樣一百萬(wàn)個(gè)量子電路實(shí)例,但是一臺(tái)先進(jìn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)將需要大約 1 萬(wàn)年的時(shí)間來(lái)執(zhí)行等效的任務(wù)。

相對(duì)于所有已知經(jīng)典算法而言,這種巨大的提速在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了計(jì)算任務(wù)上的量子霸權(quán),并預(yù)示了人們期待已久的計(jì)算范式的出現(xiàn)。

在摘要中,Google 揭示了這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的原因,由于量子力學(xué)中物體的狀態(tài)是在希爾伯特空間中演化,因此只需 53 個(gè)量子位就可以模擬 1016 種狀態(tài),而這個(gè)數(shù)字已經(jīng)超出了當(dāng)今超級(jí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力(一般是等價(jià)于 50 個(gè)量子比特)。

主要指出的是 Google 雖然實(shí)現(xiàn)了 72 個(gè)量子位的芯片,但這和 72 位量子計(jì)算機(jī)是兩回事。GoogleBristlecone 芯片是利用 9 個(gè)相同模式的量子比特進(jìn)行耦合,然后依次擴(kuò)展出去,并非實(shí)現(xiàn)了兩兩量子比特之間的耦合。

量子計(jì)算機(jī)的實(shí)際應(yīng)用也面臨諸多問(wèn)題。由于在于 0 和 1 兩種狀態(tài)之間的能量差太小,需要降低到絕對(duì)零度附近,才能防止被熱量所破壞。

此外,粒子之間狀態(tài)的耦合也有時(shí)間限制,時(shí)間一長(zhǎng),兩個(gè)粒子將不再「相干」。在進(jìn)行量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)時(shí),所有的量子操作要在量子退相干之前完成,才能保證量子操作的保真度(Fidelity),否則運(yùn)算結(jié)果將不再可信。

今年 3 月,Google 在一篇論文中給出了如下的量子計(jì)算機(jī)演化概念圖:

「量子霸權(quán)」是什么?

這張圖顯示了量子計(jì)算錯(cuò)誤率和量子比特?cái)?shù)之間的關(guān)系。Google 量子人工智能實(shí)驗(yàn)室的預(yù)期研究方向?yàn)閳D中紅色曲線,他們希望通過(guò)建立糾錯(cuò)量子計(jì)算機(jī),降低錯(cuò)誤率,從而將這項(xiàng)技術(shù)推入右下角的綠色可用區(qū)域。

什么是量子霸權(quán)

量子霸權(quán),也叫量子優(yōu)勢(shì),即在未來(lái)的某個(gè)時(shí)刻,功能強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)可以完成經(jīng)典計(jì)算機(jī)幾乎不可能完成的任務(wù)。

比如在一天之內(nèi)破解原本幾萬(wàn)年才能破解的密碼、實(shí)現(xiàn)通用人工智能、快速模擬分子模型。

提出這一假想的原因是,量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展似乎遵循著「內(nèi)文定律」,而經(jīng)典計(jì)算機(jī)遵循著「摩爾定律」。

「量子霸權(quán)」是什么?

▲提出內(nèi)文定律的 Hartmut Neven

摩爾定律為大眾所熟知,即計(jì)算機(jī)芯片的晶體管密度每 18 個(gè)月翻一番,算力增強(qiáng)一倍,這是一種指數(shù)增長(zhǎng)的規(guī)律。但是近年來(lái)隨著晶體管的尺寸逐漸逼近物理學(xué)極限,這一定律已經(jīng)放緩甚至失效。

而來(lái)自 Google 量子人工智能實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人 Hartmut Neven 認(rèn)為,量子計(jì)算機(jī)的速度正在以雙指數(shù)的速度增長(zhǎng)。雙指數(shù)是指數(shù)之上再加一層指數(shù),形式如下:

Neven 認(rèn)為,量子計(jì)算機(jī)比經(jīng)典計(jì)算機(jī)存在著兩個(gè)指數(shù)優(yōu)勢(shì):

首先,量子位相比普通位具有效率優(yōu)勢(shì),如果一個(gè)量子電路具有 4 個(gè)量子位,那么需要一個(gè)具有 16 個(gè)普通位的經(jīng)典電路才能實(shí)現(xiàn)等效的計(jì)算能力。

其次,量子芯片也在快速改進(jìn)。Google 量子芯片正在以指數(shù)級(jí)的速度發(fā)展,這種快速的改善是由于量子電路中錯(cuò)誤率的降低。而降低錯(cuò)誤率能幫助我們構(gòu)建更大的量子芯片。

雙指數(shù)的增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于指數(shù)函數(shù),因此 Google 認(rèn)為雖然量子計(jì)算機(jī)速度現(xiàn)在遠(yuǎn)不及經(jīng)典計(jì)算機(jī),但是總有一天會(huì)超過(guò)后者。

「量子霸權(quán)」是什么?

這可不僅僅是 Google 研究人員的自賣(mài)自夸,實(shí)際上 Google 實(shí)驗(yàn)室也是按照雙指數(shù)規(guī)律的速度在推進(jìn)著:去年 12 月,一臺(tái)筆記本電腦即可模擬 Google 最好的量子計(jì)算機(jī);到了今年 1 月,一臺(tái)功能強(qiáng)大的臺(tái)式機(jī)才可與之媲美;而到了今年 2 月,經(jīng)典計(jì)算機(jī)的速度已經(jīng)不能和量子計(jì)算機(jī)匹敵,無(wú)法再模擬后者了。

為何由 NASA 發(fā)布

也許你會(huì)好奇,Google 的論文為何要在 NASA 官網(wǎng)上發(fā)布。其實(shí) Google 去年就已經(jīng)和 NASA 展開(kāi)合作,并且立下了 flag:要在今年實(shí)現(xiàn)所謂量子霸權(quán),即讓量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)。

2018 年 7 月,Google 宣布與 NASA 建立合作伙伴關(guān)系,計(jì)劃將量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的結(jié)果,與經(jīng)典仿真進(jìn)行比較,實(shí)現(xiàn)所謂的「量子霸權(quán)」,而且當(dāng)時(shí)的 Google 預(yù)測(cè)在今年就可以實(shí)現(xiàn)。

雙方合作使用的量子芯片名字叫做 Bristlecone,總共包含 72 個(gè)量子比特。由于 Bristlecone 需要將超導(dǎo)電路維持在絕對(duì)零度附近,因此無(wú)法將其從 Google 的實(shí)驗(yàn)室搬走。NASA 研究人員只能通過(guò) Google 的云 API 遠(yuǎn)程連接 Bristlecone。

「量子霸權(quán)」是什么?

雙方將共同研究如何將「各種各樣的優(yōu)化和采樣問(wèn)題」映射到 Bristlecone 量子計(jì)算系統(tǒng)上。

按照雙方的約定,今年年初,他們?cè)?NASA 最強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī) Pleiades 上對(duì)運(yùn)行這些仿真所必需的軟件進(jìn)行編碼,并在合同簽訂后的 12 個(gè)月,即今年 7 月,比較量子電路仿真和 Google 量子計(jì)算機(jī)硬件的結(jié)果。

雖然 Google 和 NASA 持非常樂(lè)觀的態(tài)度,但業(yè)界也有人這個(gè) flag 要倒。

阿里巴巴數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施和搜索技術(shù)部門(mén)的研究人員發(fā)表了一篇論文,認(rèn)為要實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)可能需要錯(cuò)誤率更低的量子芯片。

南加州大學(xué)量子信息科學(xué)與技術(shù)中心主任 Daniel Lidar 也對(duì)此表示懷疑。他接受麻省理工科技評(píng)論時(shí)說(shuō):「(實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán))似乎還需要其他方式抑制錯(cuò)誤?!?/p>

如果這篇論文通過(guò)了同行評(píng)審,則意味著 Google 和 NASA 的 flag 沒(méi)有倒,而且量子計(jì)算將進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代。

創(chuàng)造歷史

幾十年來(lái),量子計(jì)算這個(gè)領(lǐng)域,都籠罩在一個(gè)強(qiáng)大的假設(shè)之下:

任何其他類(lèi)型的計(jì)算機(jī),能夠高效完成的計(jì)算,經(jīng)典計(jì)算機(jī)也都能高效完成。

這個(gè)假設(shè),來(lái)自「廣義邱奇-圖靈論題」(Extended Church Turing Thesis) 。

如今,Google 的量子計(jì)算機(jī)用 3 分 20 秒完成的計(jì)算,交給全球排名第一的超級(jí)計(jì)算機(jī) Summit,大概需要 1 萬(wàn)年。這就打破了人類(lèi)曾經(jīng)的猜想。

Google 說(shuō):

這標(biāo)志了第一個(gè)只能用量子處理器執(zhí)行的運(yùn)算。

在通往全面量子計(jì)算的路上,這是一個(gè)里程碑。

量子機(jī)器的算力,將會(huì)以雙指數(shù)速度增長(zhǎng)。

當(dāng)然,這項(xiàng)前所未有的成就,不止是 Google 自家的狂歡。

為英國(guó)政府擔(dān)任量子技術(shù)顧問(wèn)的 Steve Brierley,已經(jīng)在領(lǐng)域里工作了 20 年,還是量子軟件初創(chuàng)公司 Riverlane 的創(chuàng)始人。他強(qiáng)調(diào)說(shuō):

第一次有人證明,量子計(jì)算機(jī)的性能真的能超過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)。

這是個(gè)了不起的成就。

走到領(lǐng)域之外,美國(guó)民主黨的總統(tǒng)參選人楊安澤 (Andrew Yang) ,是這樣說(shuō)的:

Google 達(dá)成量子霸權(quán)是個(gè)大事。先不說(shuō)別的,這至少意味著,沒(méi)有不能破解的代碼了。

他的這條推特,已經(jīng)收獲了 5100 贊。

不久之后,楊還補(bǔ)充了一條:

我們的加密技術(shù)也得跟上啊。

這條推特,又獲得了 3200 贊。

下一步呢

量子霸權(quán)實(shí)現(xiàn)了,但故事并沒(méi)有結(jié)束。

在許多人的眼里,量子霸權(quán)是一個(gè)人為設(shè)定的里程碑:只要在任何一項(xiàng)任務(wù)上,證明量子計(jì)算機(jī)超過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)就可以了。

怎樣的任務(wù)都可以,也就不一定有現(xiàn)實(shí)意義。比如,Google 給量子計(jì)算機(jī)的任務(wù)是:鑒定一個(gè)隨機(jī)數(shù)生成器,是不是真的隨機(jī)。

所以,一個(gè)里程碑之后,還有另一個(gè)里程碑要趕去。

「量子霸權(quán)」是什么?

實(shí)用性

IBM 的量子計(jì)算戰(zhàn)略負(fù)責(zé)人 Robert Sutor,提到了一個(gè)「量子優(yōu)勢(shì)?(Quantum Advantage)」概念,那是一個(gè)實(shí)用性的里程碑:

量子優(yōu)勢(shì),是在一個(gè)真實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景 (比如金融服務(wù)、AI、化學(xué)里面) ,量子計(jì)算機(jī)做出了比任何經(jīng)典計(jì)算機(jī)要明顯優(yōu)秀的工作。

作為 Google 的對(duì)手,IBM 一直在探索量子計(jì)算的應(yīng)用,與摩根大通、梅賽德斯奔馳都有這一方面的合作。最近他們還在線上對(duì)外開(kāi)放了一臺(tái) 53 比特的通用量子計(jì)算機(jī)。

IBM 說(shuō),量子霸權(quán)這個(gè)詞他們并不用,也不在意。

「量子霸權(quán)」是什么?

不過(guò),Google 研究院、加州理工學(xué)院的理論物理學(xué)家 Fernando Brand?o 相信:

在達(dá)成量子霸權(quán)之前,量子計(jì)算機(jī)不可能做出什么有意思的事。

現(xiàn)在,就算量子計(jì)算機(jī)做的任務(wù)還沒(méi)有實(shí)際意義,研究人員還是可以從中學(xué)到經(jīng)驗(yàn),今后開(kāi)發(fā)出更有用的量子計(jì)算機(jī)。

2018 年,波士頓咨詢公司 (BCG) 發(fā)布的報(bào)告說(shuō),量子計(jì)算機(jī)可以改變?cè)S多領(lǐng)域的游戲規(guī)則:

比如密碼學(xué)和化學(xué),對(duì)化學(xué)的影響會(huì)廣泛波及材料學(xué),以及農(nóng)業(yè)和制藥等等領(lǐng)域。

人工智能,機(jī)器學(xué)習(xí)就更不用說(shuō)了。

另外,物流,制造,金融,能源……也都會(huì)出現(xiàn)新的應(yīng)用。

這個(gè)未來(lái),整個(gè)世界都在期待著。

容錯(cuò)率

再下一個(gè)里程碑,就是造出一臺(tái)容錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)。

「量子霸權(quán)」是什么?

這樣的計(jì)算機(jī),能在一項(xiàng)計(jì)算當(dāng)中實(shí)時(shí)糾正錯(cuò)誤,原則上可以實(shí)現(xiàn)無(wú)錯(cuò)的量子計(jì)算。

目前,主流的方法叫做「Surface Code」,每個(gè)執(zhí)行計(jì)算的「邏輯」量子比特,都要有成千上萬(wàn)個(gè)糾錯(cuò)量子比特來(lái)支持。

這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了當(dāng)前量子計(jì)算的最強(qiáng)算力。

所以,量子計(jì)算到底需不需要容錯(cuò)能力,也是值得討論的問(wèn)題。

來(lái)自 Google 的 Fernando Brand?o 說(shuō):

有許多思路可走,但沒(méi)有哪個(gè)方向是確定的。

One More Thing

不過(guò),在走向未來(lái)之前,關(guān)于這項(xiàng)研究,還有一個(gè)直擊靈魂的問(wèn)題:

如果說(shuō),超算要 1 萬(wàn)年才能算好,怎么才能知道量子計(jì)算機(jī)得出的結(jié)果是對(duì)的呢?

「量子霸權(quán)」是什么?

論文緩存地址:

https://filebin.net/k5rr4l0p6ldde7hr/Quantum_Supremacy_Using_a_Programmable_Superconducting_Processor.html

參考鏈接:https://www.technologyreview.com/s/612381/google-has-enlisted-nasa-to-help-it-prove-quantum-supremacy-within-months/

https://www.ft.com/content/b9bb4e54-dbc1-11e9-8f9b-77216ebe1f17

https://www.quantamagazine.org/does-nevens-law-describe-quantum-computings-rise-20190618/

https://gizmodo.com/google-says-its-achieved-quantum-supremacy-a-world-fir-1838299829

https://www.bcg.com/publications/2018/next-decade-quantum-computing-how-play.aspx

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