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物理學家評谷歌“量子霸權”:離實際應用還很遙遠

發布時間:2019-10-25 10:28:01  來源:新浪科技 任天   背景:

  北京時間10月25日消息,10月23日,谷歌公司的研究人員在英國《自然》(Nature)雜志上發表論文稱,他們已成功演示了“量子霸權”(quantum supremacy)。所謂量子霸權,其實指的是量子計算機對經典計算機的超越,其運算能力遠遠超過經典計算機,可以解決經典計算機在合理時間范圍內不能解決的問題。

  關于量子霸權的討論聽起來似乎有點耳熟。美國國家航空航天局(NASA)對這篇論文也有所貢獻。早在9月中旬,NASA就“無意”中將這項最新的量子計算研究發表在官網上,宣稱“量子霸權”已經實現,然后又迅速將其撤下。雖然發表的時間并不長,但這篇論文已經引起了網絡上一片震蕩。這并不奇怪,因為谷歌公司聲稱,他們的量子計算機可以在200秒內完成超級計算機需要1萬年才能完成的事情,這樣的成果實在是太令人驚奇了。

  Sycamore量子處理器的布局(a)和外觀(b),芯片中有54個量子比特,每個量子比特(灰色)通過耦合器(藍色)與最近的量子比特相連

  超級計算機和量子計算機的關鍵區別在于它們存儲信息的方式。超級計算機和任何傳統計算機一樣,是二進制位的,處理的是1和0的問題;對于量子計算機,則涉及到量子比特的問題,可以假設0和1的任何排列。不過,這并不意味著量子比特可以像薛定諤的貓一樣,同時是兩個相互矛盾的東西——既是活的又是死的,或者既是0又是1。

  正如理論計算機科學家斯科特·阿倫森(Scott Aaronson)在他的博客中所說,量子比特是“此和彼的復雜線性組合”,或者說,是0和1的復雜線性組合。或許最接近的類比應該是“可能是這樣,也可能是那樣”。阿倫森指出,簡單來說,你可以把量子計算機定義為一臺利用這種新型“可能性”的計算機。

  為什么利用這種“可能性”就能賦予量子計算機所謂的“霸權”?德國法蘭克福高等研究院的理論物理學家薩賓·霍森費爾德(Sabine Hossenfelder)解釋道:“為了讓你了解量子計算機的能力,你可以想象一下:通過量子力學方程的數值解,在經典計算機上模擬量子計算機。”

  “如果你這么做,”她接著說,“那么經典計算機的計算負擔就會隨著模擬的量子比特的數量呈指數增長。你可以在個人電腦上進行2或4個量子比特的計算,但如果是50個量子比特,你就需要一個超級計算機集群。任何超過50個左右量子比特的計算目前都難以實現,至少在任何合理的時間內都無法計算。”

  谷歌的量子計算機是一個名為“Sycamore”的紫色芯片。Sycamore的原意是梧桐樹,在論文中給出的芯片圖片上,可以看到一邊刻著“Google AI Quantum”,另一邊則刻著“Sycamore”和一棵梧桐樹的圖案。這個量子處理器被設計成使用54個超導transmon量子比特。由于其中一個量子比特不能正常工作,因此他們在實驗中使用了53個量子比特,在一個“偽隨機量子電路輸出的采樣任務”中將其計算速度與“最先進的超級計算機”進行了比較。研究人員表示,Sycamore的計算幾乎沒有結構,這使它成為“基準測試的合適選擇”。與之相比,傳統計算機的運行速度就顯得相當緩慢。他們總結說,Sycamore的成功“預示著一個備受期待的計算范式即將到來”。

  2012年,加州理工學院的理論物理學家、量子信息與物質研究所所長約翰·普雷斯基爾(John Preskill)提出了“量子霸權”一詞,后來這成為一個劃時代的詞匯。普雷斯基爾的原意是用量子霸權來描述量子計算機發展的關鍵節點。他本月在《量子》(Quanta)雜志上寫道:“我想強調,現在是我們這個星球歷史上的一段特殊時期,基于量子物理學原理的信息技術方興未艾。”他似乎在說,谷歌的實驗結果后面還應該加上幾句注解。

  “正如谷歌團隊所承認的那樣,他們的機器表現出驚人的計算速度,但所解決的問題經過了精心挑選,目的只是為了展示量子計算機的優越性,”普雷斯基爾補充道,“在其他方面,(量子計算)并沒有太大的實際意義。”霍森費爾德也有同樣的看法。她說,現在的量子計算機似乎還只是“科學家的新玩具”,因為“盡管隨機變量的產生可以用來檢查量子霸權,但并不足以計算出任何有用的結果。”

  盡管如此,普雷斯基爾仍表示谷歌取得了探索量子計算機實用性的重要一步。他認為,為即將到來的“新時代”創造一個短語是很有必要的,這個短語就是NISQ(noisy intermediate-scale quantum),即“嘈雜中型量子”。其中的“嘈雜”(noisy)意思就是“不精確的”。對于量子比特,想要獲得無錯誤的計算結果仍然太難了——量子計算機運行的時間越長,它積累的錯誤就越多,計算結果就越不可靠。“中型”(Intermediate-scale)的意思則是,現在的量子計算機剛好可以做到谷歌所做的事情,即在某些任務中輕而易舉地擊敗超級計算機,展示量子計算的優越性。但是,量子計算機太小了,最多只有幾百個量子比特,做不出任何有價值的事情。所以,如果想超越NISQ時代,還需要相當長的時間。

  對于量子霸權,目前我們還沒有什么好激動的。“發明(NISQ)這個術語,實際上是想讓投資者相信量子計算將在未來幾十年產生實際應用,”霍森費爾德說,“NISQ的問題在于,雖然它們可能很快就能付諸實踐,但沒人知道如何利用它們計算出有用的結果。”也許永遠不會有人知道。“我現在很擔心量子計算會走上核聚變的老路,永遠充滿希望,但又永遠不會真正實現,”霍森費爾德補充道。

  可以理解的是,谷歌的研究人員及其NASA合作者對這種不確定性給出了更積極的解釋。他們指出,現在的量子計算還處于“過渡”階段,從單純的學術研究,到成為開啟新型計算能力的關鍵,還有很長的路要走,“我們距離有價值的短期應用只有一步之遙”。誰又能知道,這一天會什么時候到來呢?

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