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让比尔盖茨都蒙圈的“量子霸权”为啥牛?-- 解密“量子解密”

(2019-11-05 06:46:23) 下一个

2019年10月23日,谷歌宣布成功演示“量子霸权”,这一成果在全世界最权威的学术期刊之一《自然》上发表,谷歌首席执行官桑德尔·皮查伊(Sundar Pichai)称谷歌团队为了这一突破已经耗费了十三年光阴。

 

谷歌团队在论文中宣称:他们的量子处理器工作200秒相当于世间的10000年。“我们的量子处理器仅用了约200秒就采集了一百万个量子电路样本,而最先进的经典超级计算机的等效任务大约需要一万年。”

 

自古同行相轻是颠扑不破的真理,马上,量子计算机的另一个核心玩家IBM就反驳道:一万年太久,只争朝夕,所谓的1万年,IBM的超级经典计算机也就两天半而已。所谓实现“量子霸权”有误导公众的嫌疑。

不管争论如何激烈,但确定无疑的是:量子计算机已经不再是一些科学家的遥远梦想,而是已经走入我们的现实生活,成为你我必须了解的一个存在了。

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首先,这个名字特别霸气的“量子霸权”听起来有点可怕,在我们的印象中,和“霸权”连在一起的,基本都不是啥好东东。

但是这个“量子霸权(quantum supremacy)”却是个货真价实的好东东,它是指量子计算机完成经典计算机(非量子)无法完成的任务。美国加州理工的物理学家约翰·普瑞斯基尔(John Preskill)在2012年创造了这个热词。

图灵和冯.诺依曼的电子计算机是人类最激动人心的发明,将人类带进了伟大的信息时代,(参看计算机的前世今生:不务正业的富二代如何改变世界),但是今天,计算机正遇到它的“经典瓶颈”,摩尔定律正在失效。

1981年,个性十足的纳米技术之父费曼(Richard Feynman)作了著名的“用计算机模拟物理”的报告,提出一个挑战:“计算机能否有效地模拟量子物理系统?”

费曼认为答案显然是“NO”:“我对所有经典理论的分析都不满意,因为自然不是经典的,如果你想模拟自然,你最好把它变成量子力学,”也就是说,如果你想模拟一个量子系统,传统计算机基本无能为力,费曼建议,解决这个挑战的一种方法就是量子计算机。

其实更早些时候,美国阿贡(Argonne)国家实验室的保罗(Paul Benioff)第一个提出设计一个遵循量子规律但又像普通计算机那样工作的机器,这是最初的量子计算机的设想。

费曼发展了保罗的设想,勾勒出了量子计算机的雏形。1994 年,贝尔实验室的数学家彼得·秀尔(Peter Shor)发现了了量子质因子分解算法,并成功地让自己的名字“秀尔”成为一种非常伟大的算法—秀尔算法,他证明了运用量子计算机加上秀尔算法,在大数的质因式分解的速度上,要比传统计算机快上一个指数级的差异。

换句话说,理论上,量子计算机完全可以用来轻松破解目前已被广泛使用的公开密钥加密方法,也就是现在通行于银行及网络等处的RSA加密算法。这样的话,现代密码学在量子计算机面前完全不堪一击。

有了这种让你无密可保的能力,量子计算机顿时成为一个热门的研究领域。

IBM 推出的量子计算机

2007 年,加拿大的一家创业公司 D-Wave Systems 推出全球首台量子计算机,这是一个让全世界都为之震惊的消息。这台有着16个量子比特的“猎户星座”量子计算机让全世界知道了还有一种叫做量子退火(quantum annealing)的技术。

虽然备受争议,但是D-Wave还是获得了许多重量级客户的橄榄枝,包括谷歌,洛克希德·马丁公司,南加州大学,美国国家航空航天局和洛斯阿拉莫斯国家实验室。

这些客户后来都纷纷自立门户成为逐鹿中原的群雄,为了量子计算机这只鹿,其他重要的玩家如英特尔,微软,IBM也都纷纷押上了最重的筹码。

几十年转瞬过去,人们突然发现,费曼并非痴人说梦,原来量子计算机真的可以玩。

02

 

比特是传统计算机的信息量单位,同时也是二进制数字中的位,每个0或1就是一个位(bit)。

同样的,在量子计算机中,基本信息量单位是量子比特(qubit),用两个量子态│0>和│1>代替经典比特状态0和1。“|>”是“狄拉克符号”,这是量子力学非常重要的基本概念。直观地想象,你可以把一个量子比特的状态看作是球体上的一个位置,是三维空间中的一个点。

 

 

量子计算机秒杀传统计算机的关键是因为量子比特有两个独特的量子效应:量子叠加(quantum superposition)和量子纠缠(quantum entanglement)。

“量子”(quantum)是指能量或物质的最小的不可分割的基本单位。在量子神奇而美丽的世界里,我们现实世界的许多常识性经验都会被颠覆,(如果你想和量子做朋友,欢迎阅读量子的世界你不能不懂,冯诺依曼伴你闯荡量子江湖)。

在量子世界中,量子的运动状态无法确定,量子比特也是如此,它的值不止于 0 或者 1,而是处于一种用经典物理无法解释的奇妙状态:“0与1的叠加”。

量子叠加最著名的宏观思想实验就是薛定谔的猫,那只著名的处于死与活的叠加状态的猫。

量子纠缠能让量子比特互相纠缠,共享自身状态,而且与距离无关。量子叠加和量子纠缠一起创造出一种超级叠加,正是这种叠加态特性让量子计算机拥有了无与伦比的优势。同样是一个n位的存储器,普通计算机存储的结果只有一个,但是 n 个量子比特可以同时描述 2^n 个复数,也就是可以同时存储2^N个数。

理论上,只要 300 全纠缠的量子比特(fully entangled qubits)就能储存比宇宙中所有原子还多的数字。

对于几何倍增的爆炸威力,很久很久以前人类就已经领略过,古印度传说锡塔发明了国际象棋,国王决定重赏他。西塔说只要棋盘放麦粒就好,第一格放一粒,每格翻一倍,直到64个格子都放完。

 

 

后来国才王发现,即使把全国的麦子拿来也放不完。

这种存储容量上的超越使量子计算机可以同时对全部数据进行平行运算,这样每个量子比特的处理能力也是指数级翻倍的。比如,50个纠缠的量子比特能够同时执行2^50个计算操作,而传统计算机不得不按顺序进行2^50 次计算。

有点不明觉厉?没关系,不只有你一个人如此,就连比尔·盖茨也曾表示,量子计算项目是他真正没搞懂的部分。

 

 

 

 

 

03

 

在费曼之后的20多年里,费曼所设想的那种机器都一直属于天方夜谭。量子比特的叠加状态只能维持几纳秒,即十亿分之几秒。而外界的一点点变化比如细微温度变化甚至空气分子,都有可能让叠加态丧失。

但在过去的几年内,科学家们在量子计算机所需的技术上取得了巨大的进步。资本随之大量涌入。

谷歌在2014年就招募了加州大学圣塔芭芭拉分校(UCSB)的超导量子比特专家约翰·马丁尼斯(John Martinis)和研究组内的12名成员。之后不久,Martinis 团队就宣布他们构造出了一个9量子比特的量子计算机。这次帮助谷歌团队实现“量子霸权”的量子计算机叫做“西克莫”(Sycamore),包含了53个纠缠有效量子比特。

图a,处理器的布局,显示一个54量子位的矩形阵列(灰色),每个矩形都通过耦合器(蓝色)连接到其四个最

图a,处理器的布局,显示一个54量子位的矩形阵列(灰色),每个矩形都通过耦合器(蓝色)连接到其四个最近的邻居。概述了不可操作的量子位。

图b,美国Sycamore梧桐芯片的照片。

 

具体而言,灰色的X是量子位,共54个,蓝色的长方块是耦合器,共有88个,每个量子位被耦合器连接到其相邻的量子位。因为有一个量子位损坏(白色X),因此该设备实际使用53个量子位和86个耦合器。

该处理器采用铝进行金属化和约瑟夫森结,芯片被引线键合到超导电路板上,并在低温恒温器冷却到20 mK以下(该温度仅比最低的绝对零度高一点),这样,传导电子冷凝成宏观量子状态。谷歌采用的超导态这一宏观量子态一直是量子计算机的一大主流思路,具体而言,该处理器实现了一个深度为20的超大型双量子比特(2-qubit)的量子电路,包含了53量子比特,430个双量子比特和1113个单量子比特闸门,预计总保真度为0.2% 。保真度可以通过几百万次测量来改善。

谷歌团队采用了所谓的“交叉熵基准化分析法(cross-entropy benchmarking)”,将量子电路的输出与经典计算机仿真计算出的“相应的理想概率”进行比较。他们在当今最强大的IBM的Summit超级计算机以及谷歌集群服务器上运行了部分量子电路仿真,以推断全部时间成本。

最终谷歌团队用全部53个量子位运行了3千万次程序圈(loop),耗时200秒获取一百万个样本,他们推断在一百万个内核上进行等保真度经典采样将花费10,000年,而对保真度的验证将花费数百万年。

04

对于谷歌宣称实现“量子霸权”,各方争议不断。

IBM 认为这离实现“量子霸权”还早着呢,甚至“量子霸权”这词就在误导公众。

“这个词加剧了对已经夸大其词的量子技术现状的报道”,并且“通过与白人霸权的联系引起了令人反感的政治立场。”

一些人觉得0.1 – 0.2 % 的保真度(可信度)的计算其实没有意义,因为古典计算机给出的结果是绝对精确可靠的。

另一些人觉得量子计算机所运行的程序还没有实用价值。

但也有学者高度评价该成果的价值,认为它是量子计算领域的“卓越成就”和“里程碑”,其重要意义可媲美莱特兄弟在人类历史上的首次驾驶飞机飞行。

澳大利亚新南威尔士大学量子物理学家 Michelle Simmons 表示,“看起来,谷歌公司已经为我们提供了第一份实验证据,证明量子确实能够在现实系统当中实现计算加速。据我所知,这是量子霸权首次得到证明,绝对值得大书特书。”

得克萨斯大学奥斯汀分校理论计算机科学家 Scott Aaronson 表示,尽管谷歌选择的计算方法(即检查量子随机数发生器的输出结果)在实际应用中存在重大局限,但“只要得到了应有的结果,而且与预先猜想完全相符,那么已经代表巨大的科学成就。”

10月29日,中国科技大学教授郭国平表示,这一成就具有“划时代意义”。他认为,量子霸权是一个转折点,他充分证明了量子计算机的优势,“如果我们在通用量子计算的下一阶段落后,这将意味着冷兵器和火枪之间的区别。”

“量子霸权”概念提出者普雷斯基尔曾说:“量子霸权”是用来形容量子计算机可以做传统计算机做不到的事情,而不管这些任务是否具有现实意义。”

谷歌量子人工智能实验室工程总监哈特穆特·奈文(Hartmut Neven)说,有不少批评声音抱怨[“西克莫”(Sycamore)]并没有做任何有用的事情。对此,奈文反驳称:“Sputnik(人类第一颗人造卫星)也没有做太多事情,它只是绕着地球旋转。然而它是太空时代的开始!”

 

 

传统计算机通过冗余来解决纠错问题。相反,量子比特本质上是概率问题,所以纠错在可预见的未来都还会是量子计算机必须直面的问题。

抛开技术争议,我们无法否认的是:

量子计算是一场从根上开始的具有颠覆性的技术革命,谷歌团队攻坚二十年的研究成果,堪称量子计算研究上的“一大步”。

 

量子计算是计算机科学中最前沿的领域之一,很有希望在密码学,分子化学,电池材料和高温超导体领域取得重大突破。真正要实现这些任务肯定还需要很多年坚实的科学研究和努力,但在谷歌看来,这条道路已经越来越清晰,越来越宽广。

未来已来,你,来不来?

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海尾归 回复 悄悄话 谢分享。本科物理的我,还好,了了。
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