讓比爾蓋茨都懵圈 量子霸權(quán)大揭秘

2019年10月23日，谷歌宣布成功演示“量子霸權(quán)”，這一成果在全世界最權(quán)威的學(xué)術(shù)期刊之一《自然》上發(fā)表，谷歌首席執(zhí)行官桑德爾·皮查伊(Sundar Pichai)稱谷歌團(tuán)隊(duì)為了這一突破已經(jīng)耗費(fèi)了十三年光陰。

谷歌團(tuán)隊(duì)在論文中宣稱：他們的量子處理器工作200秒相當(dāng)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(gè)量子電路樣本，而最先進(jìn)的經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)的等效任務(wù)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(jì)算機(jī)的另一個(gè)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(jí)經(jīng)典計(jì)算機(jī)也就兩天半而已。所謂實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”有誤導(dǎo)公眾的嫌疑。

不管爭論如何激烈，但確定無疑的是：量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)不再是一些科學(xué)家的遙遠(yuǎn)夢想，而是已經(jīng)走入我們的現(xiàn)實(shí)生活，成為你我必須了解的一個(gè)存在了。

01

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

但是這個(gè)“量子霸權(quán)(quantum supremacy)”卻是個(gè)貨真價(jià)實(shí)的好東東，它是指量子計(jì)算機(jī)完成經(jīng)典計(jì)算機(jī)(非量子)無法完成的任務(wù)。美國加州理工的物理學(xué)家約翰·普瑞斯基爾(John Preskill)在2012年創(chuàng)造了這個(gè)熱詞。

圖靈和馮.諾依曼的電子計(jì)算機(jī)是人類最激動(dòng)人心的發(fā)明，將人類帶進(jìn)了偉大的信息時(shí)代，(參看計(jì)算機(jī)的前世今生：不務(wù)正業(yè)的富二代如何改變世界),但是今天，計(jì)算機(jī)正遇到它的“經(jīng)典瓶頸”，摩爾定律正在失效。

1981年，個(gè)性十足的納米技術(shù)之父費(fèi)曼(Richard Feynman)作了著名的“用計(jì)算機(jī)模擬物理”的報(bào)告，提出一個(gè)挑戰(zhàn)：“計(jì)算機(jī)能否有效地模擬量子物理系統(tǒng)?”

費(fèi)曼認(rèn)為答案顯然是“NO”：“我對(duì)所有經(jīng)典理論的分析都不滿意，因?yàn)樽匀徊皇墙?jīng)典的，如果你想模擬自然，你最好把它變成量子力學(xué)，”也就是說，如果你想模擬一個(gè)量子系統(tǒng)，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)基本無能為力，費(fèi)曼建議，解決這個(gè)挑戰(zhàn)的一種方法就是量子計(jì)算機(jī)。

其實(shí)更早些時(shí)候，美國阿貢(Argonne)國家實(shí)驗(yàn)室的保羅(Paul Benioff)第一個(gè)提出設(shè)計(jì)一個(gè)遵循量子規(guī)律但又像普通計(jì)算機(jī)那樣工作的機(jī)器，這是最初的量子計(jì)算機(jī)的設(shè)想。

費(fèi)曼發(fā)展了保羅的設(shè)想，勾勒出了量子計(jì)算機(jī)的雛形。1994 年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的數(shù)學(xué)家彼得·秀爾(Peter Shor)發(fā)現(xiàn)了了量子質(zhì)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(yùn)用量子計(jì)算機(jī)加上秀爾算法，在大數(shù)的質(zhì)因式分解的速度上，要比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)快上一個(gè)指數(shù)級(jí)的差異。

換句話說，理論上，量子計(jì)算機(jī)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(xiàn)在通行于銀行及網(wǎng)絡(luò)等處的RSA加密算法。這樣的話，現(xiàn)代密碼學(xué)在量子計(jì)算機(jī)面前完全不堪一擊。

有了這種讓你無密可保的能力，量子計(jì)算機(jī)頓時(shí)成為一個(gè)熱門的研究領(lǐng)域。

IBM 推出的量子計(jì)算機(jī)

2007 年，加拿大的一家創(chuàng)業(yè)公司 D-Wave Systems 推出全球首臺(tái)量子計(jì)算機(jī),這是一個(gè)讓全世界都為之震驚的消息。這臺(tái)有著16個(gè)量子比特的“獵戶星座”量子計(jì)算機(jī)讓全世界知道了還有一種叫做量子退火(quantum annealing)的技術(shù)。

雖然備受爭議，但是D-Wave還是獲得了許多重量級(jí)客戶的橄欖枝，包括谷歌，洛克希德·馬丁公司，南加州大學(xué)，美國國家航空航天局和洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)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(zhuǎn)瞬過去，人們突然發(fā)現(xiàn)，費(fèi)曼并非癡人說夢，原來量子計(jì)算機(jī)真的可以玩。

02

比特是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的信息量單位，同時(shí)也是二進(jìn)制數(shù)字中的位，每個(gè)0或1就是一個(gè)位(bit)。

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

量子計(jì)算機(jī)秒殺傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵是因?yàn)榱孔颖忍赜袃蓚€(gè)獨(dú)特的量子效應(yīng)：量子疊加(quantum superposition)和量子糾纏(quantum entanglement)。

“量子”(quantum)是指能量或物質(zhì)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(xiàn)實(shí)世界的許多常識(shí)性經(jīng)驗(yàn)都會(huì)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)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(jīng)典物理無法解釋的奇妙狀態(tài)：“0與1的疊加”。

量子疊加最著名的宏觀思想實(shí)驗(yàn)就是薛定諤的貓，那只著名的處于死與活的疊加狀態(tài)的貓。

量子糾纏能讓量子比特互相糾纏，共享自身狀態(tài)，而且與距離無關(guān)。量子疊加和量子糾纏一起創(chuàng)造出一種超級(jí)疊加，正是這種疊加態(tài)特性讓量子計(jì)算機(jī)擁有了無與倫比的優(yōu)勢。同樣是一個(gè)n位的存儲(chǔ)器，普通計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的結(jié)果只有一個(gè)，但是 n 個(gè)量子比特可以同時(shí)描述 2^n 個(gè)復(fù)數(shù)，也就是可以同時(shí)存儲(chǔ)2^N個(gè)數(shù)。

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

對(duì)于幾何倍增的爆炸威力，很久很久以前人類就已經(jīng)領(lǐng)略過，古印度傳說錫塔發(fā)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(gè)格子都放完。

后來國才王發(fā)現(xiàn)，即使把全國的麥子拿來也放不完。

這種存儲(chǔ)容量上的超越使量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)對(duì)全部數(shù)據(jù)進(jìn)行平行運(yùn)算，這樣每個(gè)量子比特的處理能力也是指數(shù)級(jí)翻倍的。比如，50個(gè)糾纏的量子比特能夠同時(shí)執(zhí)行2^50個(gè)計(jì)算操作，而傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)不得不按順序進(jìn)行2^50 次計(jì)算。

有點(diǎn)不明覺厲?沒關(guān)系，不只有你一個(gè)人如此，就連比爾·蓋茨也曾表示，量子計(jì)算項(xiàng)目是他真正沒搞懂的部分。

03

在費(fèi)曼之后的20多年里，費(fèi)曼所設(shè)想的那種機(jī)器都一直屬于天方夜譚。量子比特的疊加狀態(tài)只能維持幾納秒，即十億分之幾秒。而外界的一點(diǎn)點(diǎn)變化比如細(xì)微溫度變化甚至空氣分子，都有可能讓疊加態(tài)喪失。

但在過去的幾年內(nèi)，科學(xué)家們在量子計(jì)算機(jī)所需的技術(shù)上取得了巨大的進(jìn)步。資本隨之大量涌入。

谷歌在2014年就招募了加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校(UCSB)的超導(dǎo)量子比特專家約翰·馬丁尼斯(John Martinis)和研究組內(nèi)的12名成員。之后不久，Martinis 團(tuán)隊(duì)就宣布他們構(gòu)造出了一個(gè)9量子比特的量子計(jì)算機(jī)。這次幫助谷歌團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”的量子計(jì)算機(jī)叫做“西克莫”(Sycamore)，包含了53個(gè)糾纏有效量子比特。

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

圖a，處理器的布局，顯示一個(gè)54量子位的矩形陣列(灰色)，每個(gè)矩形都通過耦合器(藍(lán)色)連接到其四個(gè)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(gè)，藍(lán)色的長方塊是耦合器，共有88個(gè)，每個(gè)量子位被耦合器連接到其相鄰的量子位。因?yàn)橛幸粋€(gè)量子位損壞(白色X)，因此該設(shè)備實(shí)際使用53個(gè)量子位和86個(gè)耦合器。

該處理器采用鋁進(jìn)行金屬化和約瑟夫森結(jié)，芯片被引線鍵合到超導(dǎo)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(duì)零度高一點(diǎn))，這樣，傳導(dǎo)電子冷凝成宏觀量子狀態(tài)。谷歌采用的超導(dǎo)態(tài)這一宏觀量子態(tài)一直是量子計(jì)算機(jī)的一大主流思路，具體而言，該處理器實(shí)現(xiàn)了一個(gè)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(gè)雙量子比特和1113個(gè)單量子比特閘門，預(yù)計(jì)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(tuán)隊(duì)采用了所謂的“交叉熵基準(zhǔn)化分析法(cross-entropy benchmarking)”，將量子電路的輸出與經(jīng)典計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算出的“相應(yīng)的理想概率”進(jìn)行比較。他們在當(dāng)今最強(qiáng)大的IBM的Summit超級(jí)計(jì)算機(jī)以及谷歌集群服務(wù)器上運(yùn)行了部分量子電路仿真，以推斷全部時(shí)間成本。

最終谷歌團(tuán)隊(duì)用全部53個(gè)量子位運(yùn)行了3千萬次程序圈(loop)，耗時(shí)200秒獲取一百萬個(gè)樣本，他們推斷在一百萬個(gè)內(nèi)核上進(jìn)行等保真度經(jīng)典采樣將花費(fèi)10,000年，而對(duì)保真度的驗(yàn)證將花費(fèi)數(shù)百萬年。

04

對(duì)于谷歌宣稱實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”，各方爭議不斷。

IBM 認(rèn)為這離實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”還早著呢，甚至“量子霸權(quán)”這詞就在誤導(dǎo)公眾。

“這個(gè)詞加劇了對(duì)已經(jīng)夸大其詞的量子技術(shù)現(xiàn)狀的報(bào)道”，并且“通過與白人霸權(quán)的聯(lián)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(jì)算其實(shí)沒有意義，因?yàn)楣诺溆?jì)算機(jī)給出的結(jié)果是絕對(duì)精確可靠的。

另一些人覺得量子計(jì)算機(jī)所運(yùn)行的程序還沒有實(shí)用價(jià)值。

但也有學(xué)者高度評(píng)價(jià)該成果的價(jià)值，認(rèn)為它是量子計(jì)算領(lǐng)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(jī)飛行。

澳大利亞新南威爾士大學(xué)量子物理學(xué)家 Michelle Simmons 表示，“看起來，谷歌公司已經(jīng)為我們提供了第一份實(shí)驗(yàn)證據(jù)，證明量子確實(shí)能夠在現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)當(dāng)中實(shí)現(xiàn)計(jì)算加速。據(jù)我所知，這是量子霸權(quán)首次得到證明，絕對(duì)值得大書特書。”

得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校理論計(jì)算機(jī)科學(xué)家 Scott Aaronson 表示，盡管谷歌選擇的計(jì)算方法(即檢查量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的輸出結(jié)果)在實(shí)際應(yīng)用中存在重大局限，但“只要得到了應(yīng)有的結(jié)果，而且與預(yù)先猜想完全相符，那么已經(jīng)代表巨大的科學(xué)成就。”

10月29日，中國科技大學(xué)教授郭國平表示，這一成就具有“劃時(shí)代意義”。他認(rèn)為，量子霸權(quán)是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，他充分證明了量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢，“如果我們在通用量子計(jì)算的下一階段落后，這將意味著冷兵器和火槍之間的區(qū)別。”

“量子霸權(quán)”概念提出者普雷斯基爾曾說：“量子霸權(quán)”是用來形容量子計(jì)算機(jī)可以做傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)做不到的事情，而不管這些任務(wù)是否具有現(xiàn)實(shí)意義。”

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

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)通過冗余來解決糾錯(cuò)問題。相反，量子比特本質(zhì)上是概率問題，所以糾錯(cuò)在可預(yù)見的未來都還會(huì)是量子計(jì)算機(jī)必須直面的問題。

拋開技術(shù)爭議，我們無法否認(rèn)的是：

量子計(jì)算是一場從根上開始的具有顛覆性的技術(shù)革命，谷歌團(tuán)隊(duì)攻堅(jiān)二十年的研究成果，堪稱量子計(jì)算研究上的“一大步”。

量子計(jì)算是計(jì)算機(jī)科學(xué)中最前沿的領(lǐng)域之一，很有希望在密碼學(xué)，分子化學(xué)，電池材料和高溫超導(dǎo)體領(lǐng)域取得重大突破。真正要實(shí)現(xiàn)這些任務(wù)肯定還需要很多年堅(jiān)實(shí)的科學(xué)研究和努力，但在谷歌看來，這條道路已經(jīng)越來越清晰，越來越寬廣。

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