外媒近距離接觸Google量子電腦:還要解決哪些問題?

據外媒報導,谷歌不久前宣稱成功實現了「量子霸權」(Quantum Supremacy),推出包含53個有效量子位元的處理器Sycamore,「對一個量子電路產生的隨機數位採樣100萬次」的運算任務,Google量子電腦只需要200秒,而世界最強超級電腦Summit需要1萬年。為了證明Google量子電腦到底有多神奇,科技記者尼爾‧薩維奇(Neil Savage)日前親自操作體驗了一下,並稱就像變魔術。

媒體近距離接觸Google子計算機:還要解決哪些問題?

記者親身感受:量子電腦哪裡不同

在Google位於美國加州戈利塔(Goleta)類似車庫的實驗室裡,我站在巨大的觸控螢幕前,用手指在顯示螢幕上移動包含X、Y、H和其他神祕符號的小方塊。這些方塊代表的是可以在一個量子位元上執行的函數,而量子位元則位於附近的銀色大圓柱體內。在無數函數中,有些會使比特從1翻轉到0,或從0翻轉到1。

顯示螢幕上的另一個正方形顯示了量子位元的狀態,它看起來像是在球體內的棒棒糖。當「棒棒糖」移動時,它旁邊的數字在1.0000到0.0000之間振盪。這是量子位元的強項之一:它們不必像二進制位中那樣要嘛是1要嘛是0,而是可以在介於兩者之間的狀態存在。這種「疊加」特性允許每個量子位元一次不止執行一次運算,而是以一種看起來特別神奇的方式加速計算。

儘管量子位元的最終讀數依然是1或0,但所有這些中間步驟的存在意味著傳統電腦很難或不可能進行類似的運算。對於外行人來說,這個過程可能看起來有點兒像魔術,揮揮手、輕硑觸控螢幕,然後從量子帽中拉出一隻兔子。Google邀請我和其他記者來到這裡,旨在揭開這個魔術的神祕面紗,以證明它根本不具有魔力。

在螢幕的右半部分,曲折的線條顯示與在量子位元上執行的函數相對應的波形。在這個部分的旁邊是個台式打印機大小的盒子,它將這些波形作為電脈衝通過電線發送到銀色圓柱體中。如果圓柱體打開,你會看到裡面有六層腔室,層層排列,就像用金屬絲裝飾的、顛倒過來的婚禮蛋糕。每層腔室都被冷卻到比其上面腔室溫度低得多的程度;最下面一層達到0.015克耳文(-273.135攝氏度),幾乎僅是外層空間的1/200。

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這些腔室都是真空的,不受光和熱的影響,否則會破壞微妙的量子位元,這些量子位元位於所有導線末端的晶片上,在黑暗和寒冷中被隔離。每個量子位元的直徑約為0.2毫米,通過普通顯微鏡可以看到。但是經過冷凍和避過外部影響後,每個量子位元都變成了超導體,讓電子自由流動,就好像它成了單原子,可以用量子力學定律決定其行為。

強度適當的微波脈衝促使量子位元振動。當兩個相鄰的量子位元達到相同的共振頻率時,它們就會相互糾纏,這是另一種量子力學屬性,這意味著測量一個量子位元的狀態也會讓你瞭解另一個量子位元的狀態。不同頻率的電磁脈衝會引起量子位元翻轉。

各方評論:「量子霸權」有意義嗎?

Google的量子軟體工程師克雷格‧吉德尼(Craig Gidney)表示,「量子電腦更像是裝有一串鐘擺的盒子。我和其他在腔室外發送訊號的人正在拉動鐘擺的弦,透過改變它們的擺動幅度來執行不同的邏輯運算。」

Google的量子團隊稱,所有這些寒冷和振動讓其獲得了量子霸權,讓量子電腦可以做普通電腦無法做到的事情。在本週發表在《自然》雜誌上的論文中,Google工程師描述了他們用來證明量子霸權的基準實驗。他們的程序運行在50多個量子位元上,檢查量子隨機數發生器的輸出。

Google量子人工智慧實驗室經理哈特穆特‧奈文(Hartmut Neven)說,有些批評人士抱怨這是個人為問題,只適用於有限的現實應用程式。對此,奈文反駁稱:「Sputnik(人類第一顆人造衛星)也沒有太多實際用途,它只是繞著地球旋轉。然而,它代表著太空時代的開始!」

芝加哥大學專注於量子信息工程的凝聚態物理學家戴維‧奧沙洛姆(David Awschalom)沒有參與這項研究,但他同意Google項目解決了一個非常特殊的問題,並補充說,Google不能聲稱自己擁有了通用量子電腦。他說,通用量子電腦可能需要100萬個量子位元,而且還需要很多年才能實現。但他相信,Google的團隊已經實現了重要的里程碑,為其他科學家取得突破奠定了基礎。

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Google的量子運算晶片被稱為Sycamore,使用了53個量子位元來實現其結果,晶片上第54個量子位元出現了故障。Sycamore的目標是隨機產生1和0的字符串,每個量子位元可產生253位元字符串(也就是大約9.700199254740992千萬億位字符串)。由於量子位相互作用的方式,有些字符串比其他字符串更有可能出現。

Sycamore運行數位生成器100萬次,然後對結果進行採樣,得出任何給定字符串出現的概率。Google團隊還在橡樹嶺國家實驗室的超級電腦Summit上運行了一個更簡單的測試版本,然後根據這些結果進行外推,以驗證Sycamore的輸出。新的晶片在200秒內完成了任務。研究人員估計,同樣的運算需要花費Summit上萬年的時間。

然而,IBM的研究人員上週早些時候發表論文,稱在理想條件下,使用額外的記憶體儲存,Summit可以在兩天半內完成上述任務。IBM也在致力於開發量子運算,該公司科學家們在IBM Research部落格上寫道:「因為加州理工學院理論物理學家約翰‧普雷斯基爾(John Preskill)在2012年提出的『量子霸權』這個術語的最初含義,是為了描述量子電腦可以做經典電腦無法做到的事情,顯然Google量子電腦還沒有邁過這個門檻。」因此,也許Google取得的成就可以貼上「量子優勢」的標籤。

但德克薩斯大學奧斯汀分校理論電腦科學家斯科特‧艾隆森(Scott Aaronson)表示,說量子霸權尚未實現並不完全正確,畢竟Sycamore的速度比Summit快得多。隨著Google系統中量子位元數量的增長,其運算能力將呈指數級增長。從53個量子位元增加到60個量子位元將使該公司量子電腦的計算能力相當於33台Summit。在達到70個量子位元時,類似Summit的傳統超級電腦可能要變得與城市大小相當才能擁有同樣的處理能力。

艾隆森還表示,Google所取得的成就可能已經有了些意想不到的實用價值。Google的系統可以用來產生被量子物理定律證實為隨機的數字。例如,該應用程式可能會產生比人類或傳統電腦所能提供的密碼強得多的密碼。

艾隆森承認:「我現在不確定,爭論它是不是取得了『霸權』是否正確。」他說,量子運算領域尚未就比較不同量子電腦的最佳方式達成一致,特別是那些建立在不同技術上的量子電腦。儘管IBM和Google都在使用超導體來創建它們的量子位元,但另一種方法依賴於捕獲離子,即帶電原子懸浮在真空中,並由激光束操縱。IBM提出了一種稱為「量子體積」的度量標準,其中包括諸如量子位元執行運算的速度以及它們避免或糾正錯誤的能力等因素。

媒體近距離接觸Google子計算機:還要解決哪些問題?

 

Google還要解決哪些問題?

事實上,糾錯是量子電腦科學家必須掌握的,這樣他們才能製造出真正有用的設備,特別是包含數千個量子位元的設備。研究人員說,到那時,機器可以對化學反應進行詳細的模擬,這可能會促使新的藥物或更好的太陽能電池出現。而且他們還可以快速破解最常用於保護互聯網數據的密碼。

不過,要想達到這種性能,量子電腦必須能夠自我糾正,找到並修復其操作中的錯誤。當一個量子位元自發地從1翻轉到0,或者當它的量子疊加由於外部世界的干擾而衰減時,就會出現錯誤。Google的量子位元目前在衰變前持續約10微秒。項目研究人員瑪麗莎‧朱斯蒂娜(Marissa Giustina)說:「它們的壽命是有限的。它們非常脆弱,當與周圍環境相互作用時,我們可能就會失去量子訊息。」

傳統電腦透過冗餘來解決糾錯問題,透過測量電容器中的單個電子而不是數萬個電子來決定數字位是開還是關。相反,量子位元本質上是概率問題,所以試圖將它們聚集在一起執行批量測量是行不通的。Google正在開發一種統計方法來糾正錯誤,加州大學聖巴巴拉分校物理學家約翰‧馬蒂尼斯(John Martinis)與該公司合作開發了Sycamore。他表示,到目前為止,初步結果顯示,沒有任何跡象表明錯誤糾正變得越來越好。看起來,這個項目還會繼續下去。

與此同時,Google的工程師將致力於改進他們的量子位元,以產生更少的錯誤,這也可能允許更多的量子位元相互關聯。他們還希望縮小鏈子電腦的控制箱體積,每個控制箱可以處理20個量子位元及其相關電路,因此需要三個控制箱才能運行Sycamore的53個量子位元。如果他們的系統增長到大約1000個量子位元,其冷卻需求將超過那些巨大銀色圓柱體的容量。

在Google從事量子硬體和架構工作的朱利安‧凱利(Julian Kelly)表示,該公司的聲明首先是一項工程成就,但它可能會開闢一片未開發的領域。他說:「我們已經證明了量子硬體可以做些極其困難的事情,我們正在以前沒有人能夠進行實驗的領域開展業務。不過,這種進步產生的影響還不確定,畢竟我們也才剛剛邁入這道門檻兒。」

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