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谷歌量子计算重大突破登上Nature封面,200秒顶超算10000年

iwangshang / 黄天然 / 2019-10-25

摘要:量子计算机领域爆发性的技术突破,让我们看到了未来科技的曙光。

天下网商记者 黄天然

谷歌今天在《自然》杂志150周年纪念特刊上,宣布实现量子计算的“关键里程碑”:最新的拥有53个超导量子比特的Sycamore 处理器,可以在200 秒内运行全球最强的超级计算机Summit耗时 1万年才能完成的计算,实现了“量子霸权”(Quantum Supremacy)。

《自然》也评价称,这是量子计算机第一次击败全球最好的传统超算,实现了全球顶尖物理学家多年来探索的目标。

谷歌今天的这项重磅发布,意义堪比莱特兄弟的第一次飞行

这项成果在一个月前曾在NASA官网意外提前发布,如今论文正式发表之后,意味着这一研究的所有细节都是公开的,这篇77 位作者合作的论文《使用可编程超导处理器实现量子霸权》揭开了谷歌量子计算实验的全貌。

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谷歌 CEO皮猜激动地官宣表示:“对于我们从事科学和技术工作的人们来说,这是我们一直在等待的‘hello world’时刻,这是迄今为止使量子计算成为现实的最有意义的里程碑““这是科学的重大开端”。

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谷歌量子计算这一重磅发布轰动全球,与此同时,也引来了业界、学界的诸多争议。

53个量子比特为何这么强?

53个超导量子比特的Sycamore 处理器的200秒可以完成最强超算1万年的计算量,这样强大的算力是如何实现的?

现有传统电子计算机的二进制计算模式,一个比特在特定时刻只有特定的状态,要么0,要么1。

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传统计算机的1比特就像硬币正反面,仅两种可能性

而量子计算机利用量子特有的“叠加态”,量子比特可以同时处于0和1之间的叠加状态。在多种“叠加态”之下,量子比特就能像孙悟空变出了很多个“分身”一样,平行计算多条路径,而非传统计算机完成一条路径后,再计算下一路径的模式。

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量子比特在0和1之间的多重叠加态进行平行计算

量子比特的并行计算让速度实现了指数量级的飞跃。在这种“叠加态”之下,1个量子比特表示在0和1之间的2^1(2的1次方)种状态,2个量子就能表示2^2(2的2次方)=4种状态,3个量子比特就能表示2^3(2的3次方)=8个状态,以此类推。谷歌使用具有53个超导量子比特的可编程处理器,状态空间为2^53(2的53次方),这就意味着量子比特可以有2^53(2的53次方)(约为10^16(10的16次方))种状态并行同时计算,而这个数字已经超越了当今超级计算机运算能力的极限。

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谷歌量子计算机的架构不同于任何现有的计算机处理器,它由54个transmon量子比特的二维阵列组成,每个比特与周围的4个比特相耦合。整个处理器的外观和普通的CPU芯片非常相似,处理器需要在超导设备低至20mK(约为-273.17℃)低温恒温器中运行,以防止外界热量对量子处理器的干扰。

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科学家在检查谷歌量子计算机的输出

为了证明量子计算机独有的能力,谷歌的研究人员设计了一个实验,即通过一个涉及量子现象的特殊场景对随机产生的量子电路进行采样。随机量子电路的每次运行都会产生一个位串 (bitstring),例如“ 0000101”。由于量子干涉多次重复实验时,某些位串会比其他位串更容易出现。

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但随着量子比特的宽度和深度的增加,在传统经典计算机上为随机量子电路寻找最有可能的位串变得更加困难,与量子处理器的差距也越来越大。当量子处理器在200 秒左右的时间内从量子电路中采集到100 万个样本时,数据显示,当今最强大的超级计算机大约需要1万年的时间才能完成这一任务。

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根据薛定谔-费曼(Schrödinger-Feynman)算法的量子比特数和周期数来估计量子霸权电路的验证时间,红色的星星表示实验估计验证时间

谷歌是否夸大其词?

就在谷歌正式公布论文的前一天晚上,IBM选择了和谷歌硬怼。

IBM一直以来是谷歌的老对手,与谷歌同样致力于将量子计算变为现实。IBM在1996年就开始研发量子计算机,2016年发布第一款5量子比特的量子计算机。2018年推出20量子比特的IBM Q量子计算机,不过这还不够,要实现“量子霸权”的目标至少需要50量子比特,才能够显示出量子计算机的特有性能。

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这一次,IBM 直接公开批评谷歌的说法有误导性,现代超算根本不需要花费那么长的时间完成论文中的实验任务。IBM 研究员指出,根据他们的自主方法,他们可以对一台超级计算机进行编程使其只需在2.5天时间内就可以处理相同任务,并非像谷歌所说,超算需要1万年这般遥不可及。

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谷歌量子计算机与IBM Summit超算

“谷歌的理论缺陷在于假定超级计算机会受到系统内存存储数据量的限制,并未对能够克服这种限制的大量磁盘存储空间作出解释。考虑到其他可能存在的硬件和软件进步,2.5天的计算时间还是‘保守、最差预期’。”IBM研究人员称。

此外,IBM还发表了一篇由5名研究人员合著的论文来驳斥Google的观点,IBM表示Google 声称自己实现“量子霸权”的说法具有误导性,让人们以为进入了一个新的计算时代。与此同时,“量子霸权”这个词通过与白人霸权的联系,也会引发令人反感的政治立场。

事实上,每种计算机都具有其独特的优势,因此,量子计算机也不会凌驾于传统计算机之上,两者在未来不会相互分割,而是协同工作。

量子计算并非理想中完美

对于谷歌实现“量子霸权”的论文结果,伦敦大学学院的物理学家乔纳森·奥本海姆(Jonathan Oppenheim)在推特上写道:“虽然这是一个里程碑,但要创造一台能计算出有用信息的量子计算机,人们还有很长的路要走。”

构建量子计算机面临一个严峻挑战是纠错问题。对于量子计算机来说,即使是很小的温度变化或微小的振动也会破坏量子比特的微妙状态。在任何时间尺度内维持量子比特都非常困难;它们倾向于“退相干”,也就是说失去其微妙的量子性质,就如烟圈在最轻微的气流中分解一样。而量子比特越多,这两个问题的解决就变得越困难。

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“量子计算的另一面是它存在着指数级的出错概率。”耶鲁大学教授罗伯特·苏勒科夫(Robert Schoelkopf)说,“你有50或100个量子比特,就可以做一些‘不可能的计算’,但这样的计算很难在任何经典计算机上复制和验证。”

此次谷歌“量子霸权”实验中,处理器在20mK接近绝对零度的低温中运作。而测算的结果由于过于庞大,并未得到经典计算机的验证,如果实验过程中产生因为量子比特的独有特性而产生差错,这一问题也难以得到大量精确的验证。

另外,量子计算机的通用性备受质疑。即使是具有完美功能的量子计算机,实用性可能并不明显,它不会简单地加快你给它的所有任务。事实上,对于许多计算来说,它比传统机器要慢。迄今为止,只有少数算法在量子计算机显然具有优势的情况下被设计出来,谷歌对于随机产生的量子电路进行采样,就是可行的实验之一。

一小步的价值

IBM和学界质疑的声音也不无道理。但是如果按照IBM所说,运用现代超算2.5天就能完成此项实验任务,且验证实验结果与谷歌量子计算机一致,那么其所用短短200秒,已经能够证明量子计算机算力的巨大飞跃。

谷歌CEO皮猜在《麻省理工科技评论》的采访中回应了这些质疑:“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分钟,但它证明了飞机飞行的可能性。”

在日常生活中,我们可能无法感受到超级计算机算力的局限。但在基因研究、生物、化学等研究领域,计算力不足却成为研究取得进展的重要障碍。

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信息处理研究物理学家、IBM研究员杰瑞·赵(Jerry Chaw)曾在一次公开演讲中举例,如果要完整描述咖啡因分子的内能、结构和相互作用,如何实现提神醒脑功效,这样一个看似寻常的课题,当今全球最强的计算机都无法模拟。原因在于按照二进制计算机的晶体管架构,咖啡因这一简单分子的复杂程度就已经超过其算力。即使是运用等同于地球、太阳系、甚至银河系中原子数量的晶体管建造出超级计算机,同样都无法成功将其模拟,而更不必说对于人类生命至关重要的分子化合物,如DNA、蛋白质等等。

因此,量子计算机的诞生,将给需要大量算力的科学领域带来曙光,如药物研发、人工智能、材料化学、能源开发、破解加密等领域曾经的难题,将能够迎来爆发性的新突破。

谷歌量子计算的“200秒”是一小步,可能将开启的是科学领域一大步。不仅是谷歌,IBM近日也宣布 53 量子位的量子计算系统即将可以在线开放给客户使用。量子计算机领域爆发性的技术突破,让我们看到了未来科技的潜力和曙光。

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