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  • 200秒=超算1万年谷歌量子霸权论文引发全球热议
  • 日期:2019-11-05   点击:   作者:admin   来源:未知   字体:[ ]

  (原标题:200秒=超算1万年,谷歌量子霸权论文上架即被撤回,引全球热议)

  量子计算机用3分20秒完成的一项计算,全球最强大的超算Summit要花1万年。

  这个成果,来自谷歌最新的量子计算研究,发表在NASA官网上。论文宣布,“量子霸权”实现了。

  另外,美国的总统参选人杨安泽,推特转发了这则,引起强烈关注,一日便有5100人点赞:

  虽然,NASA没过多久便下架了这篇论文,但正因如此,人类反而对谷歌新的成果更加好奇了。168图库助手

  我们使用具有53个超导量子位的可编程处理器,占用状态空间为253≈1016。重复实验的测量结果会采样相应的概率分布。

  百万个量子电路实例,但是一台先进的超级计算机将需要大约1万年的时间来执行等效的任务。

  相对于所有已知经典算法而言,这种巨大的提速在实验中实现了计算任务上的量子霸权,并预示了人们期待已久的计算范式的出现。

  在摘要中,谷歌揭示了这台量子计算机强大的原因,由于量子力学中物体的状态是在希尔伯特空间中演化,因此只需53个量子位就可以模拟1016种状态,而这个数字已经超出了当今超级计算机的运算能力(一般是等价于50个量子比特)。

  主要指出的是谷歌虽然实现了72个量子位的芯片,但这和72位量子计算机是两回事。谷歌Bristlecone芯片是利用9个相同模式的量子比特进行耦合,然后依次扩展出去,并非实现了两两量子比特之间的耦合。

  量子计算机的实际应用也面临诸多问题。由于在于0和1两种状态之间的能量差太小,需要降低到绝对零度附近,才能防止被热量所破坏。

  此外,粒子之间状态的耦合也有时间限制,时间一长,两个粒子将不再“相干”。在进行量子计算实验时,所有的量子操作要在量子退相干之前完成,才能保证量子操作的保真度(Fidelity),否则运算结果将不再可信。

  这张图显示了量子计算错误率和量子比特数之间的关系。谷歌量子人工智能实验室的预期研究方向为图中红色曲线,他们希望通过建立纠错量子计算机,降低错误率,从而将这项技术推入右下角的绿色可用区域。

  量子霸权,也叫量子优势,即在未来的某个时刻,功能强大的量子计算机可以完成经典计算机几乎不可能完成的任务。

  比如在一天之内破解原本几万年才能破解的密码、实现通用人工智能、快速模拟分子模型。

  提出这一假想的原因是,量子计算机的发展似乎遵循着“内文定律”,而经典计算机遵循着“摩尔定律”。

  摩尔定律为大众所熟知,即计算机芯片的晶体管密度每18个月翻一番,算力增强一倍,这是一种指数增长的规律。但是近年来随着晶体管的尺寸逐渐逼近物理学极限,这一定律已经放缓甚至失效。

  而来自谷歌量子人工智能实验室的负责人Hartmut Neven认为,量子计算机的速度正在以双指数的速度增长。双指数是指数之上再加一层指数,形式如下:

  首先,量子位相比普通位具有效率优势,如果一个量子电路具有4个量子位,那么需要一个具有16个普通位的经典电路才能实现等效的计算能力。

  其次,量子芯片也在快速改进。谷歌量子芯片正在以指数级的速度发展,这种快速的改善是由于量子电路中错误率的降低。而降低错误率能帮助我们构建更大的量子芯片。

  双指数的增长速度远远快于指数函数,因此谷歌认为虽然量子计算机速度现在远不及经典计算机,但是总有一天会超过后者。

  这可不仅仅是谷歌研究人员的自卖自夸,实际上谷歌实验室也是按照双指数规律的速度在推进着:去年12月,一台笔记本电脑即可模拟谷歌最好的量子计算机;到了今年1月,一台功能强大的台式机才可与之媲美;而到了今年2月,经典计算机的速度已经不能和量子计算机匹敌,无法再模拟后者了。

  也许你会好奇,谷歌的论文为何要在NASA官网上发布。其实谷歌去年就已经和NASA展开合作,并且立下了flag:要在今年实现所谓量子霸权,即让量子计算机的运算能力远远超过经典计算机。

  2018年7月,谷歌宣布与NASA建立合作伙伴关系,计划将量子计算机上运行的结果,与经典仿真进行比较,实现所谓的“量子霸权”,而且当时的谷歌预测在今年就可以实现。

  双方合作使用的量子芯片名字叫做Bristlecone,总共包含72个量子比特。由于Bristlecone需要将超导电路维持在绝对零度附近,因此无法将其从谷歌的实验室搬走。NASA研究人员只能通过谷歌的云API远程连接Bristlecone。

  双方将共同研究如何将“各种各样的优化和采样问题”映射到Bristlecone量子计算系统上。

  按照双方的约定,今年年初,他们在NASA最强的超级计算机Pleiades上对运行这些仿真所必需的软件进行编码,并在合同签订后的12个月,即今年7月,比较量子电路仿真和谷歌量子计算机硬件的结果。

  阿里巴巴数据基础设施和搜索技术部门的研究人员发表了一篇论文,认为要实现量子霸权可能需要错误率更低的量子芯片。

  南加州大学量子信息科学与技术中心主任Daniel Lidar也对此表示怀疑。他接受麻省理工科技评论时说:“(实现量子霸权)似乎还需要其他方式抑制错误。”

  如果这篇论文通过了同行评审,则意味着谷歌和NASA的flag没有倒,而且量子计算将进入一个新的时代。

  如今,谷歌的量子计算机用3分20秒完成的计算,交给全球排名第一的超级计算机Summit,大概需要1万年。这就打破了人类曾经的猜想。

  为英国政府担任量子技术顾问的Steve Brierley,已经在领域里工作了20年,还是量子软件初创公司Riverlane的创始人。他强调说:

  走到领域之外,美国的总统参选人杨安泽 (Andrew Yang) ,是这样说的:

  谷歌达成量子霸权是个大事。先不说别的,这至少意味着,没有不能破解的代码了。

  在许多人的眼里,量子霸权是一个人为设定的里程碑:只要在任何一项任务上,证明量子计算机超过经典计算机就可以了。

  怎样的任务都可以,也就不一定有现实意义。比如,谷歌给量子计算机的任务是:鉴定一个随机数生成器,是不是真的随机。

  IBM的量子计算战略负责人Robert Sutor,提到了一个“量子优势(Quantum Advantage) ”概念,那是一个实用性的里程碑:

  量子优势,是在一个真实应用场景 (比如金融服务、AI、化学里面) ,量子计算机做出了比任何经典计算机要明显优秀的工作。

  作为谷歌的对手,IBM一直在探索量子计算的应用,与摩根大通、梅赛德斯奔驰都有这一方面的合作。最近他们还在线比特的通用量子计算机。

  不过,谷歌研究院、加州理工学院的理论物理学家Fernando Brando相信:

  现在,就算量子计算机做的任务还没有实际意义,研究人员还是可以从中学到经验,今后开发出更有用的量子计算机。

  2018年,波士顿咨询公司 (BCG) 发布的报告说,量子计算机可以改变许多领域的游戏规则:

  比如密码学和化学,对化学的影响会广泛波及材料学,以及农业和制药等等领域。

  这样的计算机,能在一项计算当中实时纠正错误,原则上可以实现无错的量子计算。

  目前,主流的方法叫做“Surface Code”,每个执行计算的“逻辑”量子比特,都要有成千上万个纠错量子比特来支持。

  如果说,超算要1万年才能算好,怎么才能知道量子计算机得出的结果是对的呢?


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