讓比爾蓋茨都蒙圈的“量子霸權”為啥牛?-- 解密“量子解密”

原標題:讓比爾蓋茨都蒙圈的“量子霸權”為啥牛?-- 解密“量子解密”

2019年10月23日,谷歌宣布成功演示“量子霸權”,這一成果在全世界最權威的學術期刊之一《自然》上發表,谷歌首席執行官桑德爾·皮查伊(Sundar Pichai)稱谷歌團隊為了這一突破已經耗費了十三年光陰。

谷歌團隊在論文中宣稱:他們的量子處理器工作200秒相當于世間的10000年。“我們的量子處理器僅用了約200秒就采集了一百萬個量子電路樣本,而最先進的經典超級計算機的等效任務大約需要一萬年。”

自古同行相輕是顛撲不破的真理,馬上,量子計算機的另一個核心玩家IBM就反駁道:一萬年太久,只爭朝夕,所謂的1萬年,IBM的超級經典計算機也就兩天半而已。所謂實現“量子霸權”有誤導公眾的嫌疑。

不管爭論如何激烈,但確定無疑的是:量子計算機已經不再是一些科學家的遙遠夢想,而是已經走入我們的現實生活,成為你我必須了解的一個存在了。

01

首先,這個名字特別霸氣的“量子霸權”聽起來有點可怕,在我們的印象中,和“霸權”連在一起的,基本都不是啥好東東。

但是這個“量子霸權(quantum supremacy)”卻是個貨真價實的好東東,它是指量子計算機完成經典計算機(非量子)無法完成的任務。美國加州理工的物理學家約翰·普瑞斯基爾(John Preskill)在2012年創造了這個熱詞。

圖靈和馮.諾依曼的電子計算機是人類最激動人心的發明,將人類帶進了偉大的信息時代,(參看計算機的前世今生:不務正業的富二代如何改變世界),但是今天,計算機正遇到它的“經典瓶頸”,摩爾定律正在失效。

1981年,個性十足的納米技術之父費曼(Richard Feynman)作了著名的“用計算機模擬物理”的報告,提出一個挑戰:“計算機能否有效地模擬量子物理系統?”

費曼認為答案顯然是“NO”:“我對所有經典理論的分析都不滿意,因為自然不是經典的,如果你想模擬自然,你最好把它變成量子力學,”也就是說,如果你想模擬一個量子系統,傳統計算機基本無能為力,費曼建議,解決這個挑戰的一種方法就是量子計算機。

其實更早些時候,美國阿貢(Argonne)國家實驗室的保羅(Paul Benioff)第一個提出設計一個遵循量子規律但又像普通計算機那樣工作的機器,這是最初的量子計算機的設想。

費曼發展了保羅的設想,勾勒出了量子計算機的雛形。1994 年,貝爾實驗室的數學家彼得·秀爾(Peter Shor)發現了了量子質因子分解算法,并成功地讓自己的名字“秀爾”成為一種非常偉大的算法—秀爾算法,他證明了運用量子計算機加上秀爾算法,在大數的質因式分解的速度上,要比傳統計算機快上一個指數級的差異。

換句話說,理論上,量子計算機完全可以用來輕松破解目前已被廣泛使用的公開密鑰加密方法,也就是現在通行于銀行及網絡等處的RSA加密算法。這樣的話,現代密碼學在量子計算機面前完全不堪一擊。

有了這種讓你無密可保的能力,量子計算機頓時成為一個熱門的研究領域。

IBM 推出的量子計算機

2007 年,加拿大的一家創業公司 D-Wave Systems 推出全球首臺量子計算機,這是一個讓全世界都為之震驚的消息。這臺有著16個量子比特的“獵戶星座”量子計算機讓全世界知道了還有一種叫做量子退火(quantum annealing)的技術。

雖然備受爭議,但是D-Wave還是獲得了許多重量級客戶的橄欖枝,包括谷歌,洛克希德·馬丁公司,南加州大學,美國國家航空航天局和洛斯阿拉莫斯國家實驗室。

這些客戶后來都紛紛自立門戶成為逐鹿中原的群雄,為了量子計算機這只鹿,其他重要的玩家如英特爾,微軟,IBM也都紛紛押上了最重的籌碼。

幾十年轉瞬過去,人們突然發現,費曼并非癡人說夢,原來量子計算機真的可以玩。

02

比特是傳統計算機的信息量單位,同時也是二進制數字中的位,每個0或1就是一個位(bit)。

同樣的,在量子計算機中,基本信息量單位是量子比特(qubit),用兩個量子態│0>和│1>代替經典比特狀態0和1。“|>”是“狄拉克符號”,這是量子力學非常重要的基本概念。直觀地想象,你可以把一個量子比特的狀態看作是球體上的一個位置,是三維空間中的一個點。

量子計算機秒殺傳統計算機的關鍵是因為量子比特有兩個獨特的量子效應:量子疊加(quantum superposition)和量子糾纏(quantum entanglement)。

“量子”(quantum)是指能量或物質的最小的不可分割的基本單位。在量子神奇而美麗的世界里,我們現實世界的許多常識性經驗都會被顛覆,(如果你想和量子做朋友,歡迎閱讀量子的世界你不能不懂,馮諾依曼伴你闖蕩量子江湖)。

在量子世界中,量子的運動狀態無法確定,量子比特也是如此,它的值不止于 0 或者 1,而是處于一種用經典物理無法解釋的奇妙狀態:“0與1的疊加”。

量子疊加最著名的宏觀思想實驗就是薛定諤的貓,那只著名的處于死與活的疊加狀態的貓。

量子糾纏能讓量子比特互相糾纏,共享自身狀態,而且與距離無關。量子疊加和量子糾纏一起創造出一種超級疊加,正是這種疊加態特性讓量子計算機擁有了無與倫比的優勢。同樣是一個n位的存儲器,普通計算機存儲的結果只有一個,但是 n 個量子比特可以同時描述 2^n 個復數,也就是可以同時存儲2^N個數。

理論上,只要 300 全糾纏的量子比特(fully entangled qubits)就能儲存比宇宙中所有原子還多的數字。

對于幾何倍增的爆炸威力,很久很久以前人類就已經領略過,古印度傳說錫塔發明了國際象棋,國王決定重賞他。西塔說只要棋盤放麥粒就好,第一格放一粒,每格翻一倍,直到64個格子都放完。

后來國才王發現,即使把全國的麥子拿來也放不完。

這種存儲容量上的超越使量子計算機可以同時對全部數據進行平行運算,這樣每個量子比特的處理能力也是指數級翻倍的。比如,50個糾纏的量子比特能夠同時執行2^50個計算操作,而傳統計算機不得不按順序進行2^50 次計算。

有點不明覺厲?沒關系,不只有你一個人如此,就連比爾·蓋茨也曾表示,量子計算項目是他真正沒搞懂的部分。

03

在費曼之后的20多年里,費曼所設想的那種機器都一直屬于天方夜譚。量子比特的疊加狀態只能維持幾納秒,即十億分之幾秒。而外界的一點點變化比如細微溫度變化甚至空氣分子,都有可能讓疊加態喪失。

但在過去的幾年內,科學家們在量子計算機所需的技術上取得了巨大的進步。資本隨之大量涌入。

谷歌在2014年就招募了加州大學圣塔芭芭拉分校(UCSB)的超導量子比特專家約翰·馬丁尼斯(John Martinis)和研究組內的12名成員。之后不久,Martinis 團隊就宣布他們構造出了一個9量子比特的量子計算機。這次幫助谷歌團隊實現“量子霸權”的量子計算機叫做“西克莫”(Sycamore),包含了53個糾纏有效量子比特。

圖a,處理器的布局,顯示一個54量子位的矩形陣列(灰色),每個矩形都通過耦合器(藍色)連接到其四個最

圖a,處理器的布局,顯示一個54量子位的矩形陣列(灰色),每個矩形都通過耦合器(藍色)連接到其四個最近的鄰居。概述了不可操作的量子位。

圖b,美國Sycamore梧桐芯片的照片。

具體而言,灰色的X是量子位,共54個,藍色的長方塊是耦合器,共有88個,每個量子位被耦合器連接到其相鄰的量子位。因為有一個量子位損壞(白色X),因此該設備實際使用53個量子位和86個耦合器。

該處理器采用鋁進行金屬化和約瑟夫森結,芯片被引線鍵合到超導電路板上,并在低溫恒溫器冷卻到20 mK以下(該溫度僅比最低的絕對零度高一點),這樣,傳導電子冷凝成宏觀量子狀態。谷歌采用的超導態這一宏觀量子態一直是量子計算機的一大主流思路,具體而言,該處理器實現了一個深度為20的超大型雙量子比特(2-qubit)的量子電路,包含了53量子比特,430個雙量子比特和1113個單量子比特閘門,預計總保真度為0.2% 。保真度可以通過幾百萬次測量來改善。

谷歌團隊采用了所謂的“交叉熵基準化分析法(cross-entropy benchmarking)”,將量子電路的輸出與經典計算機仿真計算出的“相應的理想概率”進行比較。他們在當今最強大的IBM的Summit超級計算機以及谷歌集群服務器上運行了部分量子電路仿真,以推斷全部時間成本。

最終谷歌團隊用全部53個量子位運行了3千萬次程序圈(loop),耗時200秒獲取一百萬個樣本,他們推斷在一百萬個內核上進行等保真度經典采樣將花費10,000年,而對保真度的驗證將花費數百萬年。

04

對于谷歌宣稱實現“量子霸權”,各方爭議不斷。

IBM 認為這離實現“量子霸權”還早著呢,甚至“量子霸權”這詞就在誤導公眾。

“這個詞加劇了對已經夸大其詞的量子技術現狀的報道”,并且“通過與白人霸權的聯系引起了令人反感的政治立場。”

一些人覺得0.1 – 0.2 % 的保真度(可信度)的計算其實沒有意義,因為古典計算機給出的結果是絕對精確可靠的。

另一些人覺得量子計算機所運行的程序還沒有實用價值。

但也有學者高度評價該成果的價值,認為它是量子計算領域的“卓越成就”和“里程碑”,其重要意義可媲美萊特兄弟在人類歷史上的首次駕駛飛機飛行。

澳大利亞新南威爾士大學量子物理學家 Michelle Simmons 表示,“看起來,谷歌公司已經為我們提供了第一份實驗證據,證明量子確實能夠在現實系統當中實現計算加速。據我所知,這是量子霸權首次得到證明,絕對值得大書特書。”

得克薩斯大學奧斯汀分校理論計算機科學家 Scott Aaronson 表示,盡管谷歌選擇的計算方法(即檢查量子隨機數發生器的輸出結果)在實際應用中存在重大局限,但“只要得到了應有的結果,而且與預先猜想完全相符,那么已經代表巨大的科學成就。”

10月29日,中國科技大學教授郭國平表示,這一成就具有“劃時代意義”。他認為,量子霸權是一個轉折點,他充分證明了量子計算機的優勢,“如果我們在通用量子計算的下一階段落后,這將意味著冷兵器和火槍之間的區別。”

“量子霸權”概念提出者普雷斯基爾曾說:“量子霸權”是用來形容量子計算機可以做傳統計算機做不到的事情,而不管這些任務是否具有現實意義。”

谷歌量子人工智能實驗室工程總監哈特穆特·奈文(Hartmut Neven)說,有不少批評聲音抱怨[“西克莫”(Sycamore)]并沒有做任何有用的事情。對此,奈文反駁稱:“Sputnik(人類第一顆人造衛星)也沒有做太多事情,它只是繞著地球旋轉。然而它是太空時代的開始!”

傳統計算機通過冗余來解決糾錯問題。相反,量子比特本質上是概率問題,所以糾錯在可預見的未來都還會是量子計算機必須直面的問題。

拋開技術爭議,我們無法否認的是:

量子計算是一場從根上開始的具有顛覆性的技術革命,谷歌團隊攻堅二十年的研究成果,堪稱量子計算研究上的“一大步”。

量子計算是計算機科學中最前沿的領域之一,很有希望在密碼學,分子化學,電池材料和高溫超導體領域取得重大突破。真正要實現這些任務肯定還需要很多年堅實的科學研究和努力,但在谷歌看來,這條道路已經越來越清晰,越來越寬廣。

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