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不要对量子霸权过度鼓吹,让科学再飞一会

张伟超
2019-10-25 · 12:16
[ 亿欧导读 ] 一提到量子你的第一反应是想到什么?薛定谔的猫?近日,量子学领域又传来了新的声音。
谷歌 量子计算,谷歌,量子霸权,IBM,量子计算

作者:张伟超,图片来自“特定授权”

文:张伟超/李腾,校对:唐钰婷


一提到量子你的第一反应是想到什么?薛定谔的猫?近日,量子学领域又传来了新的声音。 

一个多月前,美国科技巨头谷歌(Google)的一份研究报告现身美国国家航空航天局(NASA)网站。尽管被火速撤下,但这篇报告抛出的一个重磅概念——“量子霸权(quantum supremacy)”,引发各大外媒热议。 

23日,谷歌的《使用可编程超导处理器达到的量子霸权》论文以封面重磅的形式在英国《自然》杂志发表,表示已成功演示了“量子霸权”,让量子系统花费约200秒完成传统超级计算机要1万年才能完成的任务。 

不过,谷歌更倾向于翻译为“量子优越性”。杂志网站还在头版头条放出了谷歌的“官宣”:你好,量子世界!我们实现了“里程碑式的量子优越性”。 

在谷歌团队看来,这是一个量子领域中“Hello World”一样的里程碑事件。据《纽约时报》报道,谷歌CEO 桑达·皮猜(Sundar Pichai)在接受采访时激动地将谷歌的成就与莱特兄弟1903年的首次飞行相媲美。“这就像飞机最初被发明的时刻-----莱特兄弟的飞机第一次只飞了12秒,但他证明了飞机飞行的可能性。” 

打破摩尔定律,量子计算肩负使命

2012年,美国加州理工学院理论物理学家约翰•普瑞斯基尔(John Preskill)提出了“量子霸权”这一概念,指量子计算机可以做到经典计算机实现不了的事。 

此后,“量子霸权”长期以来被用于描述量子计算机发展的关键节点,指量子计算机能解决传统计算机无法解决的复杂难题,也就是展现量子优越性。而这是量子计算机距离实际运用的关键一步。其中,一个常被当作量子霸权的重要指标是量子比特 (Qubit) 数量,有学者认为,大概 50 个量子比特左右,量子计算机就能达到“量子霸权”。 

论文指出,量子计算机的工作方式与传统计算机有着根本上的不同。超级计算机和量子计算机的关键区别在于它们存储信息的方式,超级计算机和任何传统计算机一样,是二进制位的,处理的是1和0的问题。传统计算机每比特非0即1,而在量子计算机中,量子比特可以以处于即是0又是1的量子叠加态,这使得量子计算机具备传统计算机无法想象的超级算力。不过,这并不意味着量子比特可以像薛定谔的猫一样,同时是两个相互矛盾的东西——既是活的又是死的,或者既是0又是1。 

理论上,当量子比特“不可避免地”连结在一起时,物理学家可以利用它们波状量子态之间的干扰来进行计算。不通过这种方式,相关计算可能要花费数百万年的时间。例如,一台 10 量子位量子计算机可以一次处理 210 或 1024 个可能的输入。  

谷歌的量子计算机是一个名为“西克莫 Sycamore”的紫色芯片。Sycamore的原意是梧桐树,在论文中给出的芯片图片上,可以看到一边刻着“Google AI Quantum”,另一边则刻着“Sycamore”和一棵梧桐树的图案。这个量子处理器被设计成使用54个超导transmon量子比特。

由于其中一个量子比特不能正常工作,因此他们在实验中使用了53个量子比特,在一个“伪随机量子电路输出的采样任务”中将其计算速度与“最先进的超级计算机”进行了比较。研究人员表示,Sycamore的计算几乎没有结构,这使它成为“基准测试的合适选择”。与之相比,传统计算机的运行速度就显得相当缓慢。他们总结说,Sycamore的成功“预示着一个备受期待的计算范式即将到来”。 

谷歌的Sycamore量子芯片 

具体来看,谷歌研制的Sycamore量子芯片包含54个量子比特,每个量子比特都由超导环组成。每个量子比特(灰色)通过耦合器(蓝色)与最近的量子比特相连,由于有1个量子比特无法有效工作,芯片实际只使用了53个量子比特。

Sycamore量子处理器的布局 

报告显示,Sycamore所进行的运算,是要证明一个随机数字生成器符合“随机”的标准。即使是现存最先进的传统超级计算机“顶点(Summit)”,对量子电路的一个实例取样100万次也要耗时1万年,在团队设计的一项对量子电路产生的随机数字进行采样的任务中,Sycamore仅用200秒便完成了运算。 

热议四起,IBM指控谷歌不实

不过,对于这一此前已被泄露的“壮举”,美国老牌科技公司IBM表示不服。10月21日,IBM就在其官网发表博文称,谷歌的“量子霸权”有缺陷,因为谷歌实际上是在没有充分利用超级计算机的全部能力的情况下进行竞争的。 

谷歌所谓“最先进的超级计算机大约需要1万年”完成的任务,在一个传统计算机系统上的理想模拟,只需要2.5天,而且保真度要高得多。这实际上还是对一个保守的、最坏情况的估计。谷歌在进行比较时,未能充分考虑“大量磁盘存储”。他们认为“完成传统计算机无法完成的工作”这一临界值还没有达到。

“按照‘量子霸权’的最严格定义,这一目标尚未实现。”IBM直言。 

IBM博文截图

博文还援引“量子霸权”提出者普瑞斯基尔最近的观点称,这个词“加剧了对量子技术现状的过度炒作”,并且“通过与‘白人至上(white supremacy)’的联系,唤起了一种令人厌恶的政治立场”。

IBM方面认为,“霸权”一词正在被几乎所有人误解,类似“实现量子霸权”的“标题党报道”会不可避免地误导公众。

“量子计算机永远不会‘凌驾’于传统计算机之上,而是与它们协同工作,因为两者都有其独特的优势。”博文写道。 

目前,IBM用来反驳谷歌的论文尚未经过同行评议。《自然》网站报道称,如果IBM是正确的,它将把谷歌的“壮举”降级为 “量子优势”,即量子计算机的计算速度比传统计算机快得多,但没有超出后者的能力范围。 

对此,桑达·皮猜在媒体上公开回应:“争议的点在于量子计算机是否会像许多人所想的那样取代经典计算机。这与人们之前庆祝AI上的进展类似,谷歌发表成果对我们的研究进行解释并帮助人们更好地了解我们目前离通用型量子技术还有多远。 

五十年发展不易,理性对待科学

量子计算的研究兴起于20世纪70年代,针对计算机的热耗效应,Landauer认为只要消除计算过程中的不可逆操作,就不存在计算的能耗下限,于是人们提出不可逆计算机的概念。Benoiff最先提出了一个基于量子力学的可逆计算机模型。 

1982年,Feynman指出,量子计算机可以用来模拟量子多体系统的演化,而这一任务是经典计算机做不到的。1985年,Deutsch建立了量子图灵机的模型。 

1994年,Shor提出一种量子算法,可以解决多项式时间内的大数因子分解问题。大数因子分解问题的难解性是目前广泛使用的公钥密码体系安全性的依据。如果采用经典计算机求解,目前所知的最佳算法是一个随着问题的规模计算步骤呈指数增长的算法。Shor算法的发现意味着,只要量子计算机一旦建成,现存的公钥密码体系将土崩瓦解。 

1995年,Schumacher第一次提出了量子比特信息学上的概念,并创造了“量子比特”(qubit)的说法。 

1997年,第一个基于量子计算机的核磁共振模型提出,下一年,核磁共振技术就运用到了2量子比特位的寄存器中,而到了2000年,寄存器中的量子比特数量在美国洛斯阿拉莫斯国家实验室手中增加到了7个。 

2001年,IBM利用核磁共振技术激活7枚核自旋体使其成为量子比特,在成功运行了上兆次之后,终于成功地将15质数分解为3×5,量子计算机第一次将使得量子计算变成了现实——整整10年之后,中国的科学家利用4个量子比特实现了分解143。 

2005年,人们成功地在粒子阱中控制住了8个量子比特,到了2010年,人们已经可以在粒子阱中制造出14个处于纠缠态的量子比特。

此后,量子计算变的可应用, 在应用方面,2011年D-Wave推出了运行128位的一体量子计算机D-WaveOne,这被认为是世界上第一台商用化的量子计算机系统。2012年,D-Wave推出了512位量子计算机D-WaveTwo。2015年,D-Wave发布了基于chimeragraph架构的新一代1152位量子计算机系统D-Wave2X。 

此次,谷歌取得的成果非常激动人心,但其他研究者提醒道,不要过分炒作这一结果,以防期望过高、泡沫破裂。

量子计算结合了过去半个世纪以来两个最大的技术变革:信息技术和量子力学。如果我们使用量子力学的规则替换二进制逻辑来计算,某些难以攻克的计算任务将得到解决。 

量子计算的概念正在激励新一代物理学家、工程师和计算机科学家,从根本上改变信息技术的格局。谷歌的此次研究,是科技的进步,也是人类的进步。 

参考文章

谷歌博客:

https://www.blog.google/perspectives/sundar-pichai/what-our-quantum-computing-milestone-means/

论文原文:
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5

IBM论文:
https://arxiv.org/pdf/1910.09534.pdf

《最前线|谷歌宣称实现“量子霸权”:意义堪比莱特兄弟的第一次飞行》:来源36氪,淡忠奎

《谷歌声称实现“量子霸权” IBM发文质疑》:来源观察者网,谷智轩

本文经授权发布,版权归原作者所有;内容为作者独立观点,不代表亿欧立场。如需转载请联系原作者。

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