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谷歌论文发布,​称实现“量子霸权”!计算200秒相当于最强超算1万年

文 / 秋名山嫩司机来源:FX168财经网

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2019 年 10 月 23 日,Nature 正式刊登了 Google 论文——《使用可编程超导处理器的量子优势》,该论文宣称其量子计算器已经实现了“量子霸权”(quantum supremacy)。

200秒=超算1万年

Quantum Supremacy,中文翻译为“量子霸权”,这一概念是2012年,美国理论物理学家约翰·普瑞斯基尔(John Preskill)提出。

 

这里的“霸权”并非我们平时理解的“霸权主义”,量子霸权是一个专有名词,意思是在处理同一个问题时,量子计算拥有了超越所有古典(非量子)计算机的能力,实现量子计算机特有优势。

 

在物理实验领域,由于迄今没有任何一台量子装置在实际的测试中验证这一能力,因此,谁能证明这种能力,就代表了实现“量子霸权”。而实现量子霸权,将代表量子计算机从理论走进现实,标志着一个新的计算能力飞跃时代的开始。 

 

谷歌 Sycamore 量子芯片(图源:谷歌)

 

 
谷歌在论文中表示,自己已经开发出了一款54量子比特数的量子芯片,名为Sycamore,由铝、铟、硅晶片和超导体(约瑟夫森结)等材料组成,每个量子比特和临近的4个量子比特耦合。

 

该处理器使用铝制造,并使用铟制造两个硅晶片之间的凸点。芯片被引线连接到超导电路板上,并在稀释制冷装置中被冷却至20mK以下。

 

这一温度只比绝对零度高百分之二度,之所以要如此冷,是为了将环境热能降低到大大低于量子势能,实现量子比特在超导电路上运算,并且防止外界热量对量子处理器的干扰。

 

根据谷歌论文,运算过程中有 1 个量子比特无法正常工作,实际执行运算的只有 53 个量子比特和 86 个耦合器 。

 

Sycamore 量子芯片内部结构(图源:谷歌论文)

 

 
谷歌在《自然》的论文中表示,通过一系列实验和计算,谷歌研究人员开发了一套高保真度的纠错流程,进而对芯片展开测试。

 

最终得出结论,同样是对一个量子电路产生的随机数字采样 100 万次, Sycamore 芯片支持的量子计算机只需要 200 秒,同时维持很低的误差率,而世界最强超算 Summit 需要 1万年。

 

按照 John Preskill 提出的“量子霸权”的定义,谷歌的实验结果则标志着量子计算机在解决一个随机采样任务上超越了经典计算机,甚至意味着只能在量子处理器上执行的计算任务诞生。

 

这也是为什么谷歌论文中提到了自己“在这一特定计算任务上实现了量子霸权”,甚至乐观地表示量子处理器的计算能力或将遵从“量子摩尔定律”,计算性能每几年就翻一倍,也许离有价值的实际应用只差一个创造性的算法了。

 

什么是量子计算机?

不过,面对谷歌声称“实现量子霸权”的结论,产业界和量子物理学界迅速分成了质疑派和乐观派。

 

以 IBM 为首的质疑派认为,虽然这是一个里程碑,但谷歌的实验有缺陷,执行同样的计算实验,Summit完成谷歌声称的计算只需要2天半,远远没有谷歌所说的 1 万年那么夸张。

 

Summit超级计算机(图源:IBM)

 

 
尽管IBM想要淡化谷歌的成就,不过科学研究界人士对此表示欢迎,《纽约时报》称科学家将此成果与莱特兄弟1903年的首次飞机飞行相提并论。

 

因为,不管是 1 万年还是 2.5 天,量子计算机的速度都是远超经典计算机,而这背后关键原因是量子并行计算。

 

经典计算机的信息单位是比特,一般用 “0” 和 “1” 来表示。一个比特,要么是“0”,要么是“1”。量子计算机的信息单位是“量子比特”,由于量子具有叠加态的特性,因此量子比特可以同时处于“0”和“1”的状态。

 

有人做过一个比喻:经典比特是 “开关”,只有开和关两个状态(0 和 1),而量子比特是 “旋钮”,就像收音机上调频的旋钮那样,有无穷多个状态。经典计算机通过操纵经典比特进行运算,而量子计算机是操纵量子比特,本质上就是去旋转它们。

 

(图源:本源量子)

 

 
由于这种叠加的特性,让量子计算机可以具备了强大的并行计算能力。在设计量子计算机时,通常会利用量子纠缠的特性,让一个粒子和其他粒子纠缠,进一步提升并行计算能力。

 

简言之,利用量子力学可使计算能力指数级增长,运用上文中53个量子比特的芯片,能实现每次2的53次方也就是9千万亿次的计算量。想要实现同样的算力,经典计算机需要9千万亿个经典比特(也就是晶体管)。

 

所以,经典计算机算力增长只能通过不断增加晶体管数量实现。为此,要将晶体管做得越来越小,从二战时期第一代计算机的真空三极管,到如今的集成电路,从2003年90nm的晶体管制程做到现在的7nm。

 

 
▲运用7nm制程拥有103亿晶体管的麒麟990芯片(图源:华为发布会) 

 

比如,上文提到的世界最强超算 Summit ,每秒能计算200千万亿次,就是通过不断堆叠芯片数量的方式达成。据悉 Summit 共有27648块Tesla V100计算卡以及9216颗IBM Power CPU。

 

Summit 占地面积相当于两个网球场大小,为了冷却处理器,周围的循环系统每分钟要消耗4000加仑的水。相比之下,拥有远超其性能的谷歌量子芯片,大小只有20毫米,整个量子计算机也仅仅几平米大小。

 

谷歌的量子计算机(图源:谷歌)

 

 

量子计算机的未来

截至目前,谷歌已经在量子计算的项目上持续攻坚了13 年。

 

在公布论文前,谷歌已经凭借着庞大的量子计算机规模在竞争中处于领先地位。2018年,谷歌展示了73量子比特计算机,该计算器明显强于位列第二的竞争对手IBM在今年9月18日公布的53量子比特研究成果。

 

 
▲2019CES展会IBM发布全球首个独立商用量子计算机IBM Q(图源:IMB) 

 

谷歌、IBM等公司启动量子计算机的研究,是因为传统计算机基于半导体微细加工的性能提高开始面临极限。随着大数据、AI技术问世,运算能力不足而未能解决的难题越来越多,业界需要能处理庞大数据的计算机。 

 

例如缓解城市地区的交通拥堵。现在,无数的车辆按各自的情况行驶,引发交通拥堵。短时间计算每辆车的行驶路线较为困难。如果使用量子计算机、向每辆车提出“不会引发交通拥堵的最佳路线”,有助于缓解拥堵。

 

再比如,新药、新材料的研究,这些对普通生活和工业界产生巨大影响的领域,将会第一步去使用量子计算机。到那个时候人们可能在很短的时间内,就能计算出关于新药、新材料的一些新的特性。

 

图源:日经中文网

 

 
不过,革新性技术有时会成为威胁。量子计算机的应用存在令网络社会从根本上动摇的风险。

 

最典型的应用就是加密破解。比如比特币的安全性依靠一个叫私钥的东西,由256位二进制随机码组成,即使是最新的超算,也需要数万年才能破解,因此加密被视为“安全”。

 

但如果我们有一个“256量子比特”的量子计算机,那么这个时间可以缩为几分钟。比特币的密码都如此简单,破解我们日常生活中社交账号、银行账号、游戏账号的密码就更加轻松了。

 

所以当量子计算机的计算能力,达到这样的一个量级的时候。那么,首先受到冲击的,就是世界的安全体系。数学家们现在正在加紧研究新的量子密码加密体系。

 

 
在计算机的历史上,时隔约70年开始出现革新的趋势。虽然真正的量子计算机的实用化仍有很多课题,但现在包括美国英特尔、中国阿里巴巴在内的科技巨头都加紧开发。

 

IBM的大型机上市是在1964年。传统计算机在那之前存在约20年的黎明期。日本IBM的执行董事森本典繁指出,“量子计算机也处于这种阶段”。
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