NASA洩露之後秒刪的一份谷歌「量子霸權」論文引發熱議,到底什麼是「量子霸權」,如果實現為什麼重要?

在摘要中,谷歌揭示了這台量子電腦強大的原因,由於量子力學中物體的狀態是在希爾伯特空間中演化,因此只需53個量子位就可以模擬1016種狀態,而這個數字已經超出了當今超級電腦的運算能力(一般是等價於50個量子位元)。

200秒=超算1萬年,谷歌量子霸權論文引發全球熱議

量子電腦用3分20秒完成的一項運算,全球最強大的超級電腦Summit要花1萬年。這個成果,來自谷歌最新的量子運算研究,發表在NASA官網上。論文宣佈,「量子霸權」實現了。不過,NASA隨即就把這份論文下架了,正因如此,人類反而對谷歌新的成果更加好奇了。

英國政府的量子技術顧問Steve Brierley說:「這是第一次有人證明,量子電腦的性能真的能超過經典電腦。是個了不起的成就。」

另外,美國民主黨的總統參選人楊安澤,推特轉發了這則,引起強烈關注,一日便有5100人點讚:

大事啊,至少說明,沒有什麼破解不了的密碼了。 

 

一窺論文

NASA匆匆撤下了論文,我們仍然能從網頁瀏覽器快取中一窺論文的內容。

谷歌在論文摘要中說:

我們使用具有53個超導量子位的可程式化處理器,占用狀態空間為253≒1016。重複實驗的測量結果會採樣相應的概率分佈。
我們使用經典模擬進行驗證。雖然我們的處理器大約需要200秒來採樣一百萬個量子電路實例,但是一台先進的超級電腦將需要大約1萬年的時間來執行等效的任務。
相對於所有已知經典演算法而言,這種巨大的加速在實驗中實現了運算任務上的量子霸權,並預示了人們期待已久的運算範式的出現。

在摘要中,谷歌揭示了這台量子電腦強大的原因,由於量子力學中物體的狀態是在希爾伯特空間中演化,因此只需53個量子位就可以模擬1016種狀態,而這個數字已經超出了當今超級電腦的運算能力(一般是等價於50個量子位元)。

主要指出的是谷歌雖然做到了72個量子位的晶片,但這和72位量子電腦是兩回事。谷歌Bristlecone晶片是利用9個相同模式的量子位元進行耦合,然後依次擴展出去,並非實現了兩兩量子位元之間的耦合。

量子電腦的實際應用也面臨諸多問題。由於在於0和1兩種狀態之間的能量差太小,需要降低到絕對零度附近,才能防止被熱量所破壞。

此外,粒子之間狀態的耦合也有時間限制,時間一長,兩個粒子將不再「相干」。在進行量子運算實驗時,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),否則運算結果將不再可信。

今年3月,谷歌在一篇論文中給出了如下的量子電腦演化概念圖:

200秒=超算1萬年,谷歌量子霸權論文引發全球熱議

這張圖顯示了量子運算錯誤率和量子位元數之間的關係。谷歌量子人工智慧實驗室的預期研究方向為圖中紅色曲線,他們希望透過建立糾錯量子電腦,降低錯誤率,進而將這項技術推入右下角的綠色可用區域。

什麼是量子霸權

量子霸權,也叫量子優勢,即在未來的某個時刻,功能強大的量子電腦可以完成經典電腦幾乎不可能完成的任務。

例如在一天之內破解原本幾萬年才能破解的密碼、實現通用人工智慧、快速模擬分子模型。

提出這一假想的原因是,量子電腦的發展似乎遵循著「內文定律」,而經典電腦遵循著「摩爾定律」。

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摩爾定律為大眾所熟知,即電腦晶片的電晶體密度每18個月增加一倍,算力增強一倍,這是一種指數增長的規律。但是近年來隨著電晶體的尺寸逐漸逼近物理學極限,這一定律已經放緩甚至失效。

而來自谷歌量子人工智慧實驗室的負責人Hartmut Neven認為,量子電腦的速度正在以雙指數的速度增長。雙指數是指數之上再加一層指數,形式如下:

Neven認為,量子電腦比經典電腦存在著兩個指數優勢:

首先,量子位相比普通位具有效率優勢,如果一個量子電路具有4個量子位元,那麼需要一個具有16個普通位元的經典電路才能實現等效的運算能力。

其次,量子晶片也在快速改進。谷歌量子晶片正在以指數級的速度發展,這種快速的改善是由於量子電路中錯誤率的降低。而降低錯誤率能幫助我們構建更大的量子晶片。

雙指數的增長速度遠遠快於指數函數,因此谷歌認為雖然量子電腦速度現在遠不及經典電腦,但是總有一天會超過後者。

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這可不僅僅是谷歌研究人員的自賣自誇,實際上谷歌實驗室也是按照雙指數規律的速度在推進著:去年12月,一台筆記型電腦即可模擬谷歌最好的量子電腦;到了今年1月,一台功能強大的桌上型電腦才可與之媲美;而到了今年2月,經典電腦的速度已經不能和量子電腦匹敵,無法再模擬後者了。

為何由NASA發佈

也許你會好奇,谷歌的論文為何要在NASA官網上發佈。其實谷歌去年就已經和NASA展開合作,並且立下了flag:要在今年實現所謂量子霸權,即讓量子電腦的運算能力遠遠超過經典電腦。

2018年7月,谷歌宣佈與NASA建立合作夥伴關係,計畫將量子電腦上運行的結果,與經典仿真進行比較,實現所謂的「量子霸權」,而且當時的谷歌預測在今年就可以實現。

雙方合作使用的量子晶片名字叫做Bristlecone,總共包含72個量子位元。由於Bristlecone需要將超導電路維持在絕對零度附近,因此無法將其從谷歌的實驗室搬走。NASA研究人員只能透過谷歌的雲端API遠端連接Bristlecone。

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雙方將共同研究如何將「各種各樣的最佳化和採樣問題」映射到Bristlecone量子運算系統上。

按照雙方的約定,今年年初,他們在NASA最強的超級電腦Pleiades上對運行這些仿真所必需的軟體進行編碼,並在合約簽訂後的12個月,即今年7月,比較量子電路仿真和谷歌量子電腦體體的結果。

雖然谷歌和NASA持非常樂觀的態度,但業界也有人這個flag要倒。

阿里巴巴數據基礎設施和搜索技術部門的研究人員發表了一篇論文,認為要實現量子霸權可能需要錯誤率更低的量子晶片。

南加州大學量子訊息科學與技術中心主任Daniel Lidar也對此表示懷疑。他接受麻省理工科技評論時說:「(實現量子霸權)似乎還需要其他方式抑制錯誤。」

如果這篇論文通過了同行評審,則意味著谷歌和NASA的flag沒有倒,而且量子運算將進入一個新的時代。

創造歷史

幾十年來,量子運算這個領域,都籠罩在一個強大的假設之下:

任何其他類型的電腦,能夠高效完成的運算,經典電腦也都能高效完成。

這個假設,來自「廣義邱奇-圖靈論題」 (Extended Church Turing Thesis) 。

如今,谷歌的量子電腦用3分20秒完成的運算,交給全球排名第一的超級電腦Summit,大概需要1萬年。這就打破了人類曾經的猜想。

谷歌說:

這象徵第一個只能用量子處理器執行的運算。
在通往全面量子運算的路上,這是一個里程碑。
量子機器的算力,將會以雙指數速度增長。

當然,這項前所未有的成就,不止是谷歌自家的狂歡。

為英國政府擔任量子技術顧問的Steve Brierley,已經在領域裡工作了20年,還是量子軟體初創公司Riverlane的創始人。他強調說:

第一次有人證明,量子電腦的性能真的能超過經典電腦。
這是個了不起的成就。

走到領域之外,美國民主黨的總統參選人楊安澤 (Andrew Yang) ,是這樣說的:

谷歌達成量子霸權是個大事。先不說別的,這至少意味著,沒有不能破解的密碼了。

他的這條推特,已經收穫了5100讚。

不久之後,楊還補充了一條:

我們的加密技術也得跟上啊。

這條推特,又獲得了3200讚。

下一步呢

量子霸權實現了,但故事並沒有結束。

在許多人的眼裡,量子霸權是一個人為設定的里程碑:只要在任何一項任務上,證明量子電腦超過經典電腦就可以了。

怎樣的任務都可以,也就不一定有現實意義。比如,谷歌給量子電腦的任務是:鑑定一個隨機數產生器,是不是真的隨機。

所以,一個里程碑之後,還有另一個里程碑要趕去。

200秒=超算1萬年,谷歌量子霸權論文引發全球熱議實用性

IBM的量子運算戰略負責人Robert Sutor,提到了一個「量子優勢(Quantum Advantage) 」概念,那是一個實用性的里程碑:

量子優勢,是在一個真實應用場景 (比如金融服務、AI、化學裡面) ,量子電腦做出了比任何經典電腦要明顯優秀的工作。

作為谷歌的對手,IBM一直在探索量子運算的應用,與摩根大通、梅賽德斯賓士都有這一方面的合作。最近他們還在線上對外開放了一台53比特的通用量子電腦。

IBM說,量子霸權這個詞他們並不用,也不在意。

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不過,谷歌研究院、加州理工學院的理論物理學家Fernando Brando相信:

在達成量子霸權之前,量子電腦不可能做出什麼有意思的事。

現在,就算量子電腦做的任務還沒有實際意義,研究人員還是可以從中學到經驗,今後開發出更有用的量子電腦。

2018年,波士頓諮詢公司 (BCG) 發佈的報告說,量子電腦可以改變許多領域的遊戲規則:

比如密碼學和化學,對化學的影響會廣泛波及材料學,以及農業和製藥等等領域。
人工智慧,機器學習就更不用說了。
另外,物流,製造,金融,能源……也都會出現新的應用。

這個未來,整個世界都在期待著。

容錯率

再下一個里程碑,就是造出一台容錯的量子電腦。

量子電腦用3分20秒完成項運算,全球最強大的超級電腦t要花1萬年,谷歌量子霸權論文引發全球熱議

這樣的電腦,能在一項運算當中實時糾正錯誤,原則上可以實現無錯的量子運算。

目前,主流的方法叫做「Surface Code」,每個執行運算的「邏輯」量子位元,都要有成千上萬個糾錯量子位元來支持。

這遠遠超出了當前量子運算的最強算力。

所以,量子運算到底需不需要容錯能力,也是值得討論的問題。

來自谷歌的Fernando Brando說:

有許多思路可走,但沒有哪個方向是確定的。

One More Thing

不過,在走向未來之前,關於這項研究,還有一個直擊靈魂的問題:

如果說,超級電腦要1萬年才能算好,怎麼才能知道量子電腦得出的結果是對的呢? 

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mnnuahg
1.  mnnuahg (發表於 2019年9月24日 19:49)
驗證對不對並不需要一萬年, 這就像給你一個加密的 rar 檔, 你自己試出密碼要很久, 但是別人給你一組密碼, 你只要試一下馬上就能知道這密碼對不對

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