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谷歌号称实现量子霸权,中国公司何时追上?

2019 年 10 月 24 日

谷歌号称实现量子霸权,中国公司何时追上?

“量子计算机 200 秒,能抵最强超算 10000 年”!上个月,谷歌的科学家们在网上发布声明,表示他们已经成功实现“量子霸权”,达成人们期待已久的量子计算技术里程碑。今天,谷歌这篇代表量子计算技术最新突破的论文登上了 Nature 杂志 150 周年版封面,正式为我们解开了谷歌量子霸权的全貌。谷歌表示:这是全球第一台能够解决传统计算机无法在合理时间内完成的处理任务的量子计算机。


你好,量子世界

近十来年,谷歌的科学家一直在努力创造一种全新的计算机处理器,该处理器可以解决对于当前世界上最好的超级计算机来说都太难的问题。现在,谷歌宣布他们成功做到了这一点:他们利用 54 量子比特的 Sycamore 量子计算机在 200 秒内完成了一个计算,而同样的计算用当今最强大的超级计算机 Summit 执行,需要约 10000 年。相关论文的草稿版本前不久在 NASA 网站上意外泄漏,没过多久即被悄悄删除,但仍然在业内引发轩然大波。


今天,谷歌实现量子霸权的论文终于以封面文章的形式在 Nature 杂志上正式发表。


论文地址:https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5.pdf


与此同时,Nature 发表了一篇观点报道,称这项成就是量子计算领域的重大里程碑事件


谷歌的量子霸权证明

量子计算机的工作原理与经典计算机存在根本区别:经典比特随时处于 1 或 0 状态,但量子比特则可同时处于多种状态。当量子比特之间紧密相连时,物理学家在理论上可以利用其波状量子态间的干扰效应迅速完成经典计算机需要几百万年才能解决的复杂任务。


而所谓量子霸权,指的就是量子计算机能够解决“经典(非量子)”计算机在合理时间范围之内无法解决的复杂难题这一关键性节点。


物理学家们认为,量子计算机终有一天将承载起革命性的算法——例如对笨重的数据库者搜索,或者分解大量数据,特别是经过加密的数据库内容。但是,这类实际应用恐怕还要数十年才有可能实现。因为量子比特越多,保持设备的稳定运行状态就越困难。目前人们普遍认为构建通用型量子计算机可能需要至少 100 万个量子比特。相比之下,谷歌的算法运行在一块仅包含 54 个量子比特的量子芯片之上,其中每一个量子比特都由超导环组成。


在证明当中,谷歌研究小组采用名为 Sycamore 的量子计算机,尝试描述量子版本的随机数生成器给出不同结果的具体概率。他们通过运行一系列随机运算在由 53 个量子比特构成的回路上完成了计算任务。


具体来讲,该回路可生成一个由 1 和 0 组成的总计 53 位的字符串,代表总共 253 种可能的组合(之所以仅使用 53 个量子比特,是因为 Sycamore 上的 1 个量子比特因损坏而无法正常使用)。整个流程极为复杂,我们根本无法利用第一原理进行结果预估,因为这可以说是个真正的随机问题。但由于量子比特之间的干扰效应,某些数字串比其他数字串的出现概率更高。这类似于打骰子——虽然某些点数的出现机率高于其他点数,但其在本质上仍然属于随机过程。Sycamore 通过对回路进行采样(运行一百万次并记录观察到的输出字符串)来计算概率分布。这种方法类似于不断打骰以记录点数偏差。


马里兰大学帕克分校的物理学家 Christopher Monroe 指出,从某种意义上讲,这台机器的日常工作跟科学家非常相似:利用实验找到经典计算机无法解决的量子问题的答案。他同时表示,此次实验的特殊之处,在于谷歌的量子计算机并非单一用途——其具有可编程能力,因此可通过设置实现灵活应用。


谷歌的量子计算机擅长检查量子随机数发生器的输出结果。


在另一方面,对结果的验证也成为新的挑战。为此,谷歌研究团队将输出与较小、较简单版本的回路模拟结果进行比较——这些模拟结果由经典计算机完成,包括位于田纳西州橡树岭国家实验室的 Summit 超级计算机。从示例中进行推论,谷歌团队估计一台具有 100 万个处理单元的经典计算机(算力约等于 10 万台普通台式机)对完整回路进行模拟约要花费 1 万年时间,但 Sycamore 却只需要 3 分 20 秒。


谷歌认为他们的量子霸权论据严密而有力。谷歌量子计算团队负责人 Hartmut Neven 表示,即使外部研究人员减少了经典模拟的计算时间,但量子硬件本身也在不断改进。这意味着对这个问题,经典计算机应该永远也无法跟上量子计算的脚步。


加利福尼亚大学圣芭芭拉分校实验物理学家 John Martinis 指出,尽管目前研究人员只能在非常特殊的场景之下证明这种优势,但其仍然向物理学家们证明,量子力学在解决复杂问题时确实符合人们的先验预期,即量子计算机的性能有望超越传统计算机。


Martinis 将此次实验比作量子计算领域的“Hello World”程序(一种通过显示 Hello World 字样测试新系统的基础程序)。他表示,虽然此次实验本身没有太大的实践价值,但却证明了谷歌的量子硬件与软件确实能够正常运行。


澳大利亚新南威尔士大学量子物理学家 Michelle Simmons 表示,“看起来,谷歌公司已经为我们提供了第一份实验证据,证明量子确实能够在现实系统当中实现计算加速。据我所知,这是量子霸权首次得到证明,绝对值得大书特书。”


得克萨斯大学奥斯汀分校理论计算机科学家 Scott Aaronson 表示,尽管谷歌选择的计算方法(即检查量子随机数发生器的输出结果)在实际应用中存在重大局限,但“只要得到了应有的结果,而且与预先猜想完全相符,那么已经代表巨大的科学成就。


目前应用空间有限

Monroe 表示,谷歌的这一成就有望吸引到更多计算机科学家与工程师加入量子计算领域,从而推动其整体发展。但他同时警告称,这一消息也可能会给人带来错误印象,以为量子计算机距离大规模实际应用已经很近。他表示,“普通民众可能会认为,「量子计算机已经打败经典计算机了,过两年我们家里用的可能都会是量子计算机。」”


事实上,科学家们并未证实可编程量子计算机能够解决一切经典计算机无法解决的问题——例如计算特定分子的电子结构,这是一种需要对多量子间相互作用进行建模的极复杂问题。Aaronson 指出,另一个重要步骤,就是在纠错算法当中同样证明量子霸权的真实性。所谓纠错算法,旨在纠正由噪声引起的错误,目的在于保证计算过程准确无误。物理学家们认为,纠错算法是量子计算机实际大规模运行的根本前提。


谷歌方面表示,他们正在努力实现这两大里程碑,并将在未来几个月内公布相关实验结果。


未来,谷歌工程师必须对现有硬件进行大量改进才能实现这种算法的日常运行,包括开发新的电子设备以控制量子电路,同时设计出一种新的量子比特间连接的方法。这也是接下来谷歌在量子计算上工作的基本方向。


劲敌表态:一个炮轰,一个祝贺

谷歌 CEO:意义堪比发明飞机

谷歌 CEO Sundar Pichai 连发 3 条推文祝贺,可见激动之情,他表示,对谷歌 AI 团队在量子计算领域取得的重大突破——“量子霸权”感到自豪,“量子计算对未来意味着什么,这让我们兴奋不已——它为我们提供了另一种方式来表达宇宙的语言,更好地理解这个世界,不仅是在 1 和 0 之间,而是在它的所有状态:美丽、复杂和无限的可能性。”



在接受麻省理工科技评论专访时,Pichai 表示这项里程碑对于谷歌意义非凡,他甚至将这项突破与莱特兄弟发明飞机相类比。他表示,莱特兄弟当时发明的第一架飞机仅在空中飞行了约 12 秒钟,其设计在生活中并没有任何实际应用,但它确实证明了飞机的概念是可行的,在这一点上量子计算也不例外。


Google AI 负责人 Jeff Dean 在自己的推特上表示,很高兴看到谷歌 AI 量子研究团队实现了这个早期里程碑,这是向量子计算的实际应用中迈出的第一步,但也是重要的一步。



IBM 炮轰开怼

作为谷歌量子计算研究最大的竞争对手,IBM 第一时间出来炮轰谷歌,其一直在与谷歌竞争谁能造出全球最先进的量子计算机。IBM 认为谷歌夸大了成就,在一篇博客中,IBM 详尽罗列了对于谷歌的反驳意见。


IBM 质疑一万年推算


IBM 的量子计算科学家在本周一表示,谷歌声称的“量子霸权”存有缺陷。谷歌并没有充分利用现代超级计算机的计算能力,这实质上操纵了这场竞赛。


博客中,IBM 表示,谷歌关于 10000 年时间的估算是错误的。事实上,同样任务的理想模拟可以在 2.5 天内在一个经典系统上完成,而且准确度要高得多。


这篇论文尚未经过同行评审,但如果 IBM 是正确的,那么谷歌此次量子霸权里程碑的意义将“大打折扣”——这意味着谷歌的成就将从“完成经典计算机不可能完成的事”,缩水到“以比经典计算机快得多的速度完成同样的事”。


量子霸权概念具有误导性


IBM 认为谷歌提出的”量子霸权”概念具有误导性。John Preskill 在 2012 年提出的“量子至上”(quantum supremacy)一词的原意是描述量子计算机可以做经典计算机做不到的事情,按照其最严格的定义,这个门槛(目标)并没有达到。


“我们已有足够的证据表明‘量子霸权’一词被广泛误读且造成越来越多的困惑,我们建议大家不要再使用这个词,且希望社区尽早放弃继续使用这个词。”IBM 在博文中写道。


IBM 敦促业界用质疑的眼光来看待谷歌所谓的“首次宣称”,即量子计算机能够实现经典计算机不能实现的任务这一观点。


IBM 还提出了“量子优势”的概念,认为应该在一个真实应用场景,比如金融服务、AI、化学中,来对比量子计算机和经典计算机的工作。


实现量子霸权还有很长的路要走


IBM 认为,量子霸权还未真正实现,还有还长的路要走。


为让量子对社会产生积极影响,当前的任务是继续构建并推广更强大的可编程量子计算系统,并且该系统系统还应该可以复用且可靠地实现各种量子演示、算法和程序。这是在量子计算机上实现实际解决方案的唯一途径。


此前,IBM 一直致力于在商用量子计算机方面的研究,其在纽约设有量子计算小组。今年年初,IBM 推出了一款名为“IBM Q System One”的 20 比特量子计算系统。今年 5 月,IBM 全球副总裁 Norishige Morimoto 在 IBM Think 峰会开幕上表示,计划在未来三到五年内将量子计算机商业化。一个月后,IBM 宣布与一些非洲大学建立合作伙伴关系,将使用 IBM Q 的处理能力来研究药物研究和开发,采矿及自然资源管理等领域。


英特尔:祝贺谷歌,但要继续向终点线迈进

英特尔也是谷歌在量子技术研究领域的劲敌,对于谷歌的最新成果,英特尔方面的回应倒是比 IBM 显得大度许多。


目前全球的科研机构、政府、技术公司等都在努力实现商业上可行的量子计算系统。尽管取得了进步,但最终实现该目标仍然遥遥无期,这将是量子计算商业化的马拉松比赛之一。因此,英特尔技术、系统架构和客户端事业部副总裁 Rich Uhlig 认为,对于谷歌的最新研究—这一马拉松中的重要里程碑应该得到承认,庆祝和建立。


Rich Uhlig 表示在为这一突破时刻鼓掌的同时,还应该继续着眼于向着终点线即实现“量子的实用性”而奋进。为了实现量子实用性方面,英特尔研究人员使用高性能量子仿真器预测了量子计算机在解决名为 Max-Cut 的优化问题方面可以超越超级计算机的情况。并经过研究表明,至少要有数百个(甚至数千个)量子位可靠地工作,量子计算机才能比超级计算机更快地解决实际问题。


在过去几年里,英特尔在批量生产量子计算机方面取得了一系列进展:2015 年 9 月,英特尔向代尔夫特理工大学量子研究所 QuTech 和荷兰应用研究组织承诺投入 5000 万美元;2018 年,在 CES 上,英特尔宣布构建了一个名为 Tangle Lake 的 49 比特量子超导芯片;今年 3 月,英特尔宣布了一种量子计算机测试工具,该工具允许研究人员验证量子芯片可靠性晶圆并检查量子比特在构建成全量子处理器之前是否正常工作。


特朗普女儿伊万卡:美国实现了量子霸权

特朗普女儿伊万卡在推特上似乎显得比 Pichai 还要激动,不过她的祝贺还悄悄偷换了概念,她宣称“美国已经实现了量子霸权,我们迎来了美国下一代量子技术!谷歌的突破表明美国在技术创新方面继续领先世界“。伊万卡还借机说明将《国家量子计划法案》签署为法律支持强大的量子研发的正确性。



量子计算研究关乎国家安全,该研究将对国家安全至关重要的计算机的加密和密码学产生重要影响,中国和美国将其视为国家安全问题。


据悉,中国已在国家量子实验室上投入了 4 亿美元,近年来申请的量子专利数量几乎是美国的两倍。2018 年,特朗普签署了《国家量子计划法案》,该法案计划投入 12 亿美元,以促进量子技术,尤其是量子计算机的研究。今年,特朗普政府推出了自己的国家量子计划,并承诺在包括计算机在内的量子研究上投入 12 亿美元。


国内量子计算现状

量子计算是科技行业竞争的一大焦点,自然少不了中国企业的身影。阿里巴巴、华为、腾讯、百度等知名科技企业都早已入局。虽然没能形成所谓“量子霸权”,但是他们的成就也是不容忽视的。


阿里巴巴

2015 年 7 月,阿里巴巴旗下阿里云和中国科学院在上海建立了一个名为阿里巴巴量子计算实验室的研究机构。该实验室研究各个领域的量子计算应用,包括人工智能和电子商务和数据中心的安全性。


2018 年 2 月,阿里云推出了具有 11 个量子比特的量子计算云服务。


2018 年 5 月,阿里巴巴达摩院正式推出了名为**“太章”的量子电路模拟器**。太章借助阿里巴巴的分布式计算平台,成功模拟了一些作为基准的中间规模的量子电路。据悉,太章正在成为阿里巴巴基于张量的量子激发经典计算系统里的计算引擎,将是研发量子计算物理实现和应用的核心工具之一。


2018 年的云栖大会上,阿里巴巴集团首席技术官、达摩院院长张建锋宣布,达摩院已经开始研发超导量子芯片和量子计算系统。这使得阿里巴巴成为继 IBM、微软、谷歌和英特尔之后,全球第五家启动量子硬件研发项目的大型科技企业。


华为

2018 年 10 月 18 日,华为在 HC 2018 大会上发布量子计算模拟器 HiQ 云服务平台,包括量子计算模拟器与基于模拟器开发的量子编程框架。


基于华为云的算力,HiQ 可模拟全振幅 42 量子比特以上,单振幅 81 量子比特以上,对于低深度电路的单振幅可模拟 169 量子比特。华为量子计算模拟器 HiQ 云服务平台将对外开放,成为研究和教育的使能平台。


2019 年 6 月,华为在量子计算领域再进一步,神秘的“2012 实验室”推出昆仑量子计算模拟一体机原型。华为认为未来不存在“量子霸权”,实际存在的应该是“量子优势”, 而华为的目标就是瞄准通用量子计算机,终极目标是把量子计算机做出来


百度

百度于 2018 年 3 月宣布成立量子计算研究所,该计划的重点是量子信息理论和量子计算。百度的主要业务之一是搜索引擎,而搜索大量数据正是量子计算的潜力之一。


2019 年 10 月 20 日,在 CNCC 的量子计算专场上,百度研究院量子计算研究所所长段润尧对百度最新开发的“量脉”系统做了介绍。


量脉(Quanlse)百度研究院旗下量子计算研究所开发的量子脉冲计算系统,适用于核磁共振量子计算、超导量子计算等平台的量子逻辑门脉冲快速产生及优化。


据了解,百度计划在五年内组建世界一流的量子计算研究所,并逐步将量子计算融入到业务中。


腾讯

腾讯对量子计算的布局始于 2017 年初,葛凌(Ling Ge)教授以腾讯欧洲首席代表身份加入腾讯,被认为是腾讯布局量子计算的开端。2018 年初,香港中文大学著名量子理论计算机科学家张胜誉教授加盟,并搭建腾讯量子实验室。


2018 年,腾讯提出用“ABC 2.0”技术布局(AI、RoBotics、Quantum Computing),构建面向未来的基础设施,探索推动以技术服务 B 端实体产业。


目前,腾讯将量子和 AI 技术首先应用于化学研究与制药行业。基于对制药企业的调研,腾讯量子实验室在小分子药物发现流程中引入 AI 模型,用量子性质的计算和判别、生成与强化学习的机器学习模型,将学术界和传统制药企业有效连接,帮助传统药物研发流程升级,提高药物研发效率。


另外,腾讯量子实验室也在探索搭建 SimHub 科学计算平台,建立云端的科学计算生态。


结 语

华为量子计算软件与算法首席科学家翁文康曾在接受 InfoQ 采访时表示


量子计算是一场从根上开始的革命,在理论上有巨大的潜力,但距离真正的商用,从硬件、软件到算法还有非常多的技术挑战,是一个复杂的系统工程。

针对企业来说,今天应用量子技术的配套装置仅仅是个开始。接下来的挑战大部分是工程技术上的,而非科学理论上的。量子技术更激动人心之处正是它目前尚未开发的潜能。量子技术更激动人心之处正是它目前尚未开发的潜能


量子时代到来的前夕,先行者们已经勇敢地走出了第一步,未来会有更多追随者加入到量子计算的浪潮中来,路漫漫其修远兮,在无数探索者的共同努力下,人类或许能更早感受到量子计算带来的改变。


参考链接:


https://www.nature.com/articles/d41586-019-03213-z


https://www.ibm.com/blogs/research/2019/10/on-quantum-supremacy/


https://newsroom.intel.com/editorials/race-commercially-viable-quantum-computing-marathon-not-sprint/#gs.c1t00x


2019 年 10 月 24 日 14:486091

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