谷歌「量子霸权」霸道在哪?

原标题:谷歌「量子霸权」霸道在哪?

人类目前最强的超级计算机需要一万年才能完成的计算,谷歌的量子计算机仅需 200 秒就能完成。

9 月 20 日,据《金融时报》报道,谷歌的一个研究小组首次通过实验,演示了「量子霸权」的存在,证明量子计算机能够在实际算力上碾压一切经典计算机,包括当前最强的超级计算机。

关于该实验的记录,最初发表在 NASA 网站上的一篇论文中,但不久之后,论文就被撤下,截止目前,谷歌还未回应媒体的置评请求。

「量子霸权」是什么?

量子计算机的概念并不新潮,早在第一台电子计算机埃尼阿克诞生 20 多年之后的 1969 年,科学家就提出了量子计算的可能。

经典的电子计算机,是基于数字电路的「通电」和「断电」两种状态来实现运算的。对电路来说,这是两种确切的状态,不是「0」就是「1」,这也就是我们常说的「比特」。

量子计算机的不同之处在于,它由微观的量子来构成比特。由于量子存在叠加现象,所以一个量子比特可以同时处于 0 和 1 两种状态。这使量子计算机可以并行处理大量数据,在传统计算机上,这些数据是要按顺序依次处理的。多年以来,科学家一直在试图证明量子计算机在算力上能够绝对碾压传统计算机,这就是「量子霸权」(Quantum Supremacy)。

谷歌的量子计算实验装置 | Google

量子计算机的比特能够以「叠加态」的形式存在,这也意味着量子计算机在运算的过程中极易出错,即使是很小的震动,甚至是温度变化,都会破坏量子比特的微妙状态。为了使量子计算机稳定工作,谷歌将自家的计算机封装在一个密闭的金属容器里,容器内部的温度接近绝对零度,只有 10 毫开尔文(1 开尔文的百分之一),是全宇宙最冷的地方。研究人员一直在寻找有效的构建、管理量子计算机的方法。

在处理某些特定问题时,量子计算机能体现出「霸权」,但这并不意味着量子计算机就会完全取代经典计算机。IBM 量子计算研究总监 Dario Gil 就表示,「量子计算机相比经典计算机永远不会具有绝对的『霸权』,它们在不同的领域各具优势,未来两者将会协同工作。」

谷歌的优势

在此次「意外公布论文」事件之前,谷歌早已在量子计算机领域取得领先。

去年,谷歌对外展示了一款拥有 73 个量子位的量子计算机,领先竞争对手 IBM 几乎同期公布的 53 位机。但在此次「量子霸权」的实验演示中,谷歌使用的是另一款更小的计算机,名为 Sycamore。这是一款 54 位的量子处理器,但其中有一个量子位无法达到标准,所以谷歌只使用了其中 53 个量子位执行采样计算任务。

谷歌最先进的量子计算机 Bristlecone | Google

在泄漏的论文中,谷歌描述了实验的过程。首先,谷歌用经典计算机生成了一系列量子指令,论文中称之为「量子门」,它们相当于传统计算机中的逻辑门,也就是 1 或 0,这一系列量子指令构成了一个「量子电路」。之后,这个量子电路被发送到量子计算机,通过处于纯 0 状态的量子位来执行运算。因为量子计算的不确定性,这些结果会各不相同,当仍然有概率上的分布特征(有的结果出现次数多,有些则少)。最后,量子计算机会基于结果的概率分布,输出结果样本。

最后,研究者将量子计算机输出的结果样本与之前经典计算机上模拟的结果进行比对,就能得出量子计算机执行计算的准确程度。谷歌之所以在此次实验中使用一台 54 位机,而不是最先进的 73 位机,就是因为随着量子计算机量子位的增多,经典计算机的算力将不足以对量子计算机的计算结果进行验证。

一名正在 MIT 攻读量子物理博士的知乎用户「少司命」对论文进行解读后,表示谷歌的实验「在最极端的情况下,对一个 53 比特 20 个 cycle 的电路采样一百万次,在量子计算机上需要 200 秒,而用目前人类最强的经典的超级计算机,同样情况下需要一万年。」

谷歌未公开自家量子计算机具体在执行什么任务,或研究什么方向。单就此次泄漏的论文来看,它相当于在量子计算领域开了一条小缝,让我们得以初窥量子计算机的强大算力,但更关键的问题仍在于未来的应用。

「霸权」引发的担忧

兴奋之余,「量子霸权」实现的消息也引发了不少担忧。

美国 2020 年总统候选人杨安泽在 Twitter 上表示,谷歌实现「量子霸权」意味着不再有牢不可破的(加密)密码了。的确,想要暴力破解经过加密的密码需要耗费大量的算力,而量子计算机呈指数增长的恐怖算力,恰好会对密码学构成威胁。

但目前我们还不需要过于担心这件事,谷歌的量子计算机在执行特定任务时可以展现出相比传统计算机的「霸权」,这并不意味着它能够被用来破解密钥。一名量子力学教授 Scott Aaronson 在接受采访时表示,当下主流的 RSA 加密方式只能被「几千个量子位」的量子计算机暴力破解,而目前还没有超过 100 个量子位的量子计算机。

理论上,量子计算机的庞大算力可以在电池设计、药物开发、地外探索、机器学习等领域大施拳脚。NASA 之所以和谷歌等公司合作开发量子计算机,就是希望能够使用量子计算机辅助调度航天任务,探测太阳系外行星。作为一家「AI 优先」的公司,谷歌希望通过量子计算机执行机器学习任务,拓展 AI 的性能。

谷歌的第一代量子位元控制器 | Google

只不过现在谈这一切或许还为时尚早。

一些学者已经对谷歌的实验方法提出了质疑,耶路撒冷希伯来大学的教授 Gil Kalai 就指出,谷歌的实验相当于让量子计算机对经典计算机已经完成的「理想输出」进行采样,没有进行额外的计算就获得了结果。加州理工大学教授 John Preskill 也认为这不是一场「公平」的竞争,谷歌精心设计了一个「天然适合量子处理器的问题」供自己的计算机解决。他认为想要实现更具普遍适用性的量子计算,仍需要技术上的飞跃。

谷歌实现「量子霸权」的消息放出后,身处同一领域的 IBM 研究总监 Dario Gil 对结果表示了祝贺,但他也表示,自己很担心「霸权」(Supremacy)这个词可能会使外界对量子计算领域报以过高的期望。「我们需要造出更具有实用价值的机器,这不是一两年的事,需要漫长的时间。」

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