量子霸權實現?谷歌3分20秒完成世界第一超算萬年運算


在最近提交的一份論文中,研究人員提出了這一主張,它也是迄今為止表明量子計算機超越傳統架構計算機,並走向實用化最為強烈的跡象。在未來,我們或許可以使用這種全新工具解決此前無法解決的數學問題。

量子霸權是指量子計算擁有的超越所有傳統計算機的計算能力。谷歌的研究人員聲稱已經實現量子霸權,這意味著最新的量子計算機能力已經達到了目前最為強大的超算也無法企及的程度——它可以在3 分20 秒內完成特定任務的運算,而目前世界排名第一的超級計算機、美國能源部橡樹嶺國家實驗室的“Summit”執行同樣任務需要大約一萬年時間。

“相對於所有已知的經典算法而言,這種驚人的速度證明了計算任務上量子霸權的實現,預示著人們期待已久的計算範式的到來。”研究人員在論文中寫到。

谷歌的“Foxtail”量子處理器。

谷歌的“Foxtail”量子處理器。

這一消息最先被英國《金融時報》報導,谷歌研究的論文於本週提交至 nasa.gov,但​​隨後被刪除。谷歌發言人拒絕證實該論文及其結果的真實性,而 NASA 沒有立即回應置評請求。

這一消息立即引來了許多媒體的報導,據美國《財富》雜誌援引谷歌消息人士稱,論文被撤回是因為其研究還沒有經過同行評審徹底討論之前被 NASA 提前發表了。通常,評審過程需要數週或者數月時間。

如果論文通過審議並順利發表,它將預示著量子科學進入了一個全新階段,因為其主要主張打消了一些不可預見的自然法則,可能會阻止量子計算機順利運行的疑慮。

量子計算的發展速度:摩爾定律的指數級

谷歌研究人員在論文中寫到:“在現實世界的系統中,我們可以實現量子加速,它並不受任何未知物理定律的限制。”

此外,在研究中人們還預測量子計算機的算力將會以“雙指數速率增長”,這意味著它的增長速度大大超過了摩爾定律,後者是指數形式的,認為傳統計算機的芯片算力每18 個月性能翻倍。

雙指數增長遠比指數增長更加快速——數量級不是按 2 的冪增長,而是按 2 的冪的冪增長,也就是:

這種增長方式有些難以理解,以至於在現實中很難找到這樣的案例。量子計算的發展速度可能是第一個。

今年 6 月,《Quanta Magazine》曾報導了谷歌在量子計算方面的近期研究。 2018 年 12 月,Google AI 的科學家想要對谷歌最好的量子處理器上進行的計算進行複現,只需使用普通筆記本電腦即可。到了今年 1 月,他們在改進版的量子芯片上進行相同的測試就不得不使用功能強大的台式計算機來模擬結果。而到了 2 月,大樓中不再有任何經典計算機可以對量子計算機的研究進行模擬了。研究人員必須在谷歌龐大的服務器網絡上請求算力才能完成。

這種算力爆炸的定律被稱為 Neven 定律,谷歌量子人工智能實驗室(Quantum Artificial Intelligence lab)主任 Hartmut Neven 在今年 5 月的谷歌量子春季研討會上首次提出了這一概念,他也表示量子霸權會在 2019 年內實現。

谷歌量子人工智能實驗室負責人 Hartmut Neven 認為,量子計算機的能力正在以前所未有的速度增長。

谷歌量子人工智能實驗室負責人 Hartmut Neven 認為,量子計算機的能力正在以前所未有的速度增長。

Neven 認為,量子計算機以雙指數增長超越計算機的過程是兩個指數因子相互組合的結果。第一,量子計算機比經典計算機具有先天的指數優勢。如果一個量子電路有 4 個量子比特,那麼一個 16 比特的經典電路才能與其計算能力等效。第二個指數因子源於量子處理器的快速演進。

第一個只能在量子計算機上進行的計算實驗

為了證明量子計算機獨有的能力,谷歌的研究人員設計了一個實驗,即通過一個涉及量子現象的特殊場景對隨機產生的數字進行採樣。該任務的目的是證明隨機數生成器確實是隨機的。

早在 2018 年,谷歌就推出過一個 72 量子比特的超導量子計算機——Bristlecone。為了進行此次實驗,谷歌對該計算機進行了改造。此次實驗用到的量子計算機名為“Sycamore”,包含 53 個量子比特。

研究人員表示,他們確定自己的量子計算機在該任務中擊敗了傳統計算機,包括計算某些專門電路的輸出。 “當前最先進的傳統計算機對量子電路中的一個實例採樣 100 萬次需要 1 萬年,但我們的量子計算機只需要 200 秒,”研究人員表示。

研究人員還寫道,“據我們所知,這是目前第一個只能在量子計算機上進行的計算實驗。”

對於大多數人來說,我們已習慣了基於矽處理器、使用晶體管進行計算的二進制計算機,其“1”和“0”兩種狀態完全可以預測。然而,量子計算機完全改變了這一遊戲規則。

量子計算機的主要構件模塊是量子比特(qubit),任何量子性質,例如電子能級、自旋或光子的量子態等都可以用來表徵量子比特,只要係統可以將其隔離並控制它們。一個量子比特只有兩個狀態,而 n 個量子比特最多可以表示 2 的 n 次方個狀態。

量子計算結合了過去半個世紀以來兩個最大的技術變革:信息技術和量子力學。如果我們使用量子力學的規則替換二進制邏輯來計算,某些難以攻克的計算任務將得到解決。

追求通用量子計算機的一個重要目標是確定當前經典計算機無法承載的最小複雜度的計算任務。該交叉點被稱為“量子霸權”邊界,是在通向更強大和有用的計算技術的關鍵一步。

專家提醒:不要期望過高,以免泡沫破裂

業界希望谷歌、IBM、英特爾等大公司以及 Rigetti Computing 等初創公司開發的量子計算機能夠在未來數年實現技術和科學方面的突破性進展。它們將變革藥物研發、物流、製造、金融、能源甚至人工智能和機器學習等多個領域。

儘管谷歌取得的結果非常激動人心,但其他研究者提醒道,不要過分炒作這一結果,以防期望過高、泡沫破裂。

谷歌正在開發的量子計算系統。

IBM 研究主管 Dario Gil 反對將“量子霸權”的實現作為衡量這一領域進展的標準。他認為,“該實驗和『霸權』這種字眼幾乎會對所有人產生誤導。”

此外,他還將這一實驗描述為高度特殊的“實驗室”成果,認為其“沒有實際應用價值”。 “量子計算機永遠都不會取得超越傳統計算機的『霸權』”,而是將與後者協作,因為二者各有其獨特的優勢。 」

英特爾量子硬件主管 Jim Clarke 將谷歌的這一進展稱為“一個值得關注的里程碑”。他說,“商用量子計算機”的實現離不開研發的進步。雖然目前還只是這場馬拉鬆的第一英里,但我們堅信這項技術的潛力。 」

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