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量子霸权终实现?谷歌3分20秒完成世界第一超算万年运算
量子霸权终实现?谷歌3分20秒完成世界第一超算万年运算
2019/9/22 3:23:35 | 浏览:325 | 评论:0

量子霸权终实现?谷歌3分20秒完成世界第一超算万年运算

这或许是计算机领域的一个里程碑事件:谷歌宣称「量子霸权」已经实现,他们首次在实验中证明了量子计算机对于传统架构计算机的优越性:在世界第一超算 Summit 需要计算 1 万年的实验中,谷歌的量子计算机只用了 3 分 20 秒。

在最近提交的一份论文中,研究人员提出了这一主张,它也是迄今为止表明量子计算机超越传统架构计算机,并走向实用化最为强烈的迹象。在未来,我们或许可以使用这种全新工具解决此前无法解决的数学问题。

量子霸权是指量子计算拥有的超越所有传统计算机的计算能力。谷歌的研究人员声称已经实现量子霸权,这意味着最新的量子计算机能力已经达到了目前最为强大的超算也无法企及的程度——它可以在 3 分 20 秒内完成特定任务的运算,而目前世界排名第一的超级计算机、美国能源部橡树岭国家实验室的「Summit」执行同样任务需要大约一万年时间。

「相对于所有已知的经典算法而言,这种惊人的速度证明了计算任务上量子霸权的实现,预示着人们期待已久的计算范式的到来。」研究人员在论文中写到。

这一消息最先被英国《金融时报》报道,谷歌研究的论文于本周提交至 nasa.gov,但随后被删除。谷歌发言人拒绝证实该论文及其结果的真实性,而 NASA 没有立即回应置评请求。

这一消息立即引来了许多媒体的报道,据美国《财富》杂志援引谷歌消息人士称,论文被撤回是因为其研究还没有经过同行评审彻底讨论之前被 NASA 提前发表了。通常,评审过程需要数周或者数月时间。

如果论文通过审议并顺利发表,它将预示着量子科学进入了一个全新阶段,因为其主要主张打消了一些不可预见的自然法则,可能会阻止量子计算机顺利运行的疑虑。


量子计算的发展速度:摩尔定律的指数级


谷歌研究人员在论文中写到:「在现实世界的系统中,我们可以实现量子加速,它并不受任何未知物理定律的限制。」

此外,在研究中人们还预测量子计算机的算力将会以「双指数速率增长」,这意味着它的增长速度大大超过了摩尔定律,后者是指数形式的,认为传统计算机的芯片算力每 18 个月性能翻倍。

双指数增长远比指数增长更加快速——数量级不是按 2 的幂增长,而是按 2 的幂的幂增长,也就是:

这种增长方式有些难以理解,以至于在现实中很难找到这样的案例。量子计算的发展速度可能是第一个。

今年 6 月,《Quanta Magazine》曾报道了谷歌在量子计算方面的近期研究。2018 年 12 月,Google AI 的科学家想要对谷歌最好的量子处理器上进行的计算进行复现,只需使用普通笔记本电脑即可。到了今年 1 月,他们在改进版的量子芯片上进行相同的测试就不得不使用功能强大的台式计算机来模拟结果。而到了 2 月,大楼中不再有任何经典计算机可以对量子计算机的研究进行模拟了。研究人员必须在谷歌庞大的服务器网络上请求算力才能完成。

这种算力爆炸的定律被称为 Neven 定律,谷歌量子人工智能实验室(Quantum Artificial Intelligence lab)主任 Hartmut Neven 在今年 5 月的谷歌量子春季研讨会上首次提出了这一概念,他也表示量子霸权会在 2019 年内实现。

量子霸权终实现?谷歌3分20秒完成世界第一超算万年运算

谷歌量子人工智能实验室负责人 Hartmut Neven 认为,量子计算机的能力正在以前所未有的速度增长。

Neven 认为,量子计算机以双指数增长超越计算机的过程是两个指数因子相互组合的结果。第一,量子计算机比经典计算机具有先天的指数优势。如果一个量子电路有 4 个量子比特,那么一个 16 比特的经典电路才能与其计算能力等效。第二个指数因子源于量子处理器的快速演进。


为了证明量子计算机独有的能力,谷歌的研究人员设计了一个实验,即通过一个涉及量子现象的特殊场景对随机产生的数字进行采样。该任务的目的是证明随机数生成器确实是随机的。

早在 2018 年,谷歌就推出过一个 72 量子比特的超导量子计算机——Bristlecone。为了进行此次实验,谷歌对该计算机进行了改造。此次实验用到的量子计算机名为「Sycamore」,包含 53 个量子比特。

研究人员表示,他们确定自己的量子计算机在该任务中击败了传统计算机,包括计算某些专门电路的输出。「当前最先进的传统计算机对量子电路中的一个实例采样 100 万次需要 1 万年,但我们的量子计算机只需要 200 秒,」研究人员表示。

研究人员还写道,「据我们所知,这是目前第一个只能在量子计算机上进行的计算实验。」

对于大多数人来说,我们已习惯了基于硅处理器、使用晶体管进行计算的二进制计算机,其「1」和「0」两种状态完全可以预测。然而,量子计算机完全改变了这一游戏规则。

量子计算机的主要构件模块是量子比特(qubit),任何量子性质,例如电子能级、自旋或光子的量子态等都可以用来表征量子比特,只要系统可以将其隔离并控制它们。一个量子比特只有两个状态,而 n 个量子比特最多可以表示 2 的 n 次方个状态。

量子霸权终实现?谷歌3分20秒完成世界第一超算万年运算

量子计算结合了过去半个世纪以来两个最大的技术变革:信息技术和量子力学。如果我们使用量子力学的规则替换二进制逻辑来计算,某些难以攻克的计算任务将得到解决。

追求通用量子计算机的一个重要目标是确定当前经典计算机无法承载的最小复杂度的计算任务。该交叉点被称为「量子霸权」边界,是在通向更强大和有用的计算技术的关键一步。

业界希望谷歌、IBM、英特尔等大公司以及 Rigetti Computing 等初创公司开发的量子计算机能够在未来数年实现技术和科学方面的突破性进展。它们将变革药物研发、物流、制造、金融、能源甚至人工智能和机器学习等多个领域。

尽管谷歌取得的结果非常激动人心,但其他研究者提醒道,不要过分炒作这一结果,以防期望过高、泡沫破裂。

IBM 研究主管 Dario Gil 反对将「量子霸权」的实现作为衡量这一领域进展的标准。他认为,「该实验和『霸权』这种字眼几乎会对所有人产生误导。

此外,他还将这一实验描述为高度特殊的「实验室」成果,认为其「没有实际应用价值」。「量子计算机永远都不会取得超越传统计算机的『霸权』」,而是将与后者协作,因为二者各有其独特的优势。

英特尔量子硬件主管 Jim Clarke 将谷歌的这一进展称为「一个值得关注的里程碑」。他说,「商用量子计算机」的实现离不开研发的进步。虽然目前还只是这场马拉松的第一英里,但我们坚信这项技术的潜力。

https://www.quantamagazine.org/does-nevens-law-describe-quantum-computings-rise-20190618/https://fortune.com/2019/09/20/google-claims-quantum-supremacy/https://www.ft.com/content/b9bb4e54-dbc1-11e9-8f9b-77216ebe1f17

 

谷歌实现“量子霸权”? 这意味着什么?

(边策 栗子)

量子霸权终实现?谷歌3分20秒完成世界第一超算万年运算

 

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。

英国政府的量子技术顾问Steve Brierley说:这是第一次有人证明,量子计算机的性能真的能超过经典计算机。是个了不起的成就。另外,美国民主党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:大事啊,至少说明,没有什么破解不了的密码了。

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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。

01 一窥论文

NASA匆匆撤下了论文,我们仍然能从网页缓存中一窥论文的内容。谷歌在论文摘要中说: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。我们使用经典模拟进行验证。虽然我们的处理器大约需要200秒来采样一
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。今年3月,谷歌在一篇论文中给出了如下的量子计算机演化概念图:


量子霸权终实现?谷歌3分20秒完成世界第一超算万年运算


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。

02 什么是量子霸权

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:

Neven认为,量子计算机比经典计算机存在着两个指数优势: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。


量子霸权终实现?谷歌3分20秒完成世界第一超算万年运算

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。

03  何由NASA发布

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。


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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。虽然谷歌和NASA持非常乐观的态度,但业界也有人这个flag要倒。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。

04 创造历史

几十年来,量子计算这个领域,都笼罩在一个强大的假设之下:任何其他类型的计算机,能够高效完成的计算,经典计算机也都能高效完成。这个假设,来自“广义邱奇-图灵论题”(Extended Church Turing Thesis)。

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。谷歌说:这标志了第一个只能用量子处理器执行的运算。在通往全面量子计算的路上,这是一个里程碑。

量子机器的算力,将会以双指数速度增长。当然,这项前所未有的成就,不止是谷歌自家的狂欢。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:第一次有人证明,量子计算机的性能真的能超过经典计算机。是个了不起的成就。

走到领域之外,美国民主党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。他的这条推特,已经收获了5100赞。不久之后,杨还补充了一条:我们的加密技术也得跟上啊。这条推特,又获得了3200赞。

05 下一步呢

量子霸权实现了,但故事并没有结束。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。所以,一个里程碑之后,还有另一个里程碑要赶去。

量子霸权终实现?谷歌3分20秒完成世界第一超算万年运算

实用性

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。最近他们还在线上对外开放了一台53比特的通用量子计算机。IBM说,量子霸权这个词他们并不用,也不在意。


量子霸权终实现?谷歌3分20秒完成世界第一超算万年运算

不过,谷歌研究院、加州理工学院的理论物理学家Fernando Brandão相信:在达成量子霸权之前,量子计算机不可能做出什么有意思的事。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。人工智能,机器学习就更不用说了。另外,物流,制造,金融,能源……也都会出现新的应用。这个未来,整个世界都在期待着。

容错率

再下一个里程碑,就是造出一台容错的量子计算机。


 


量子霸权终实现?谷歌3分20秒完成世界第一超算万年运算

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。这远远超出了当前量子计算的最强算力。所以,量子计算到底需不需要容错能力,也是值得讨论的问题。来自谷歌的Fernando Brandão说:有许多思路可走,但没有哪个方向是确定的。

06 One More Thing

不过,在走向未来之前,关于这项研究,还有一个直击灵魂的问题: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?

论文缓存地址:
https://filebin.net/k5rr4l0p6ldde7hr/Quantum_Supremacy_Using_a_Programmable_Superconducting_Processor.html

参考链接:
https://www.technologyreview.com/s/612381/google-has-enlisted-nasa-to-help-it-prove-quantum-supremacy-within-months/

https://www.ft.com/content/b9bb4e54-dbc1-11e9-8f9b-77216ebe1f17

https://www.quantamagazine.org/does-nevens-law-describe-quantum-computings-rise-20190618/

https://gizmodo.com/google-says-its-achieved-quantum-supremacy-a-world-fir-1838299829

https://www.bcg.com/publications/2018/next-decade-quantum-computing-how-play.aspx

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