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| 本文作者： camel | 2019-10-23 22:11 |
作者 | 楊曉凡，Camel
編輯 | 唐里
雷鋒網(wǎng) AI 科技評論按：在九月下旬，「谷歌實現(xiàn)量子優(yōu)越性（quantum supremacy）」的消息占據(jù)了各大媒體的頭版頭條。
（注：國內(nèi)大多媒體將 quantum supremacy 翻譯成「量子霸權(quán)」，無疑相比來講后者更能博大眾的眼球，谷歌官方認為“量子優(yōu)越性”的翻譯更為準(zhǔn)確，下文將全部使用“量子優(yōu)越性”）
據(jù)英國《金融時報》等媒體報道[1] 稱，谷歌在一臺 53 比特的量子計算機上僅用 3分 20 秒便完成了在超級計算機上需要一萬年的計算，這是量子計算領(lǐng)域的一次巨大突破，一些圈內(nèi)人士紛紛表示 「有一種即將親歷 2012 年 Hinton 發(fā)表 AlexNet 文章的感覺」、「或?qū)⒂瓉硐乱徊萍祭顺薄埂?/p>
圖注：谷歌發(fā)表文章中，對量子優(yōu)越性的證明。a）驗證基準(zhǔn)測試方法。根據(jù)測得的位串和經(jīng)典模擬預(yù)測的相應(yīng)概率，計算出補丁電路，消除電路和完整電路的驗證值。盡管在復(fù)雜性方面存在巨大差異，但所有四個曲線之間的緊密對應(yīng)關(guān)系證明了它們在優(yōu)越性領(lǐng)域（ supremacy regime）中的使用是正確的。b）對于電路深度為20時，在量子處理器上獲得一百萬個樣本需要200秒，而在一百萬個內(nèi)核上進行等保真度經(jīng)典采樣將花費10,000年，對保真度的驗證將花費數(shù)百萬年。
針對這些報道，一個多月來，谷歌并沒有作出任何回應(yīng)，且在新聞報道之前便從網(wǎng)上撤掉了相應(yīng)的論文。10月21日，IBM發(fā)表博文 [2] 以及arXiv文章[3] 稱谷歌的實驗存在缺陷，作為對比的超算計算時間其實只需要2.5天。圖注：IBM對谷歌的回應(yīng)。分析預(yù)期的經(jīng)典計算運行時間與“ Google Sycamore Circuits”的電路深度。藍色線估計了一個53量子位處理器的經(jīng)典運行時間（電路深度為20時，運行時間為2.5天），而橙色線則估計了一個54量子位處理器的經(jīng)典運行時間。
作為一切吹捧和質(zhì)疑的回應(yīng)，谷歌終于在今天（10月23日）正式在Nature上發(fā)表了他們的這項工作《Quantum supremacy using a programmable superconducting processor》[4]。
不僅如此，谷歌CEO 桑達爾·皮查伊（Sundar Pichai）還為此專門撰寫一篇文章，談?wù)摗噶孔佑嬎憷锍瘫囊饬x」[5]。
皮查伊與谷歌量子計算機 @ Santa Barbara lab
皮查伊在文中稱，“對于我們從事科學(xué)技術(shù)工作的人們來說，這項工作正是我們一直在等待的「hello，world」，是迄今為止使量子計算成為現(xiàn)實的最有意義的里程碑”。他表示，從今天的實驗室試驗到明天的實際應(yīng)用可能還有很長的路要走，但這項工作的意義在于，它代表了量子計算世界的“一個可能的時刻”（a moment of possibility）。
雷鋒網(wǎng)注意到，除了皮查伊的文章外，谷歌量子人工智能實驗室首席科學(xué)家 John Martinis （量子硬件）與Sergio Boixo（量子理論）還聯(lián)合發(fā)表了一篇關(guān)于「量子優(yōu)越性」的技術(shù)博客[6]，簡要介紹了他們的工作內(nèi)容，包括實驗、處理器硬件、測試、應(yīng)用以及接下來的目標(biāo)。
那么「谷歌實現(xiàn)量子優(yōu)越性」，是谷歌帶給人類的又一次革命，還是僅僅一次媒體炒作？或許時間將給出證明。
物理學(xué)家談?wù)摗傲孔佑嬎隳茏鍪裁础边@個問題已經(jīng)超過 30 年了，但問題一直存在：研究它真的有用嗎？值得為此研究進行投資嗎？正像計算機的發(fā)明一樣，量子計算的研究也是一個大規(guī)模的研究，因此去制定一系列具有決定性的短期目標(biāo)，以此來證明設(shè)計是否朝著正確的方向發(fā)展，是一個良好的工程實踐。谷歌所提出的這項“短期目標(biāo)”就是他們所稱之為的“量子優(yōu)越性”（quantum supremacy）實驗，并以此作為指導(dǎo)來制造可編程且功能強大的量子計算機。
谷歌今天在《自然》雜志的“使用可編程超導(dǎo)處理器的量子優(yōu)越性”（Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor）一文中發(fā)布了他們在“量子優(yōu)越性”實驗中的最新結(jié)果。他們開發(fā)了一種名為“ Sycamore”的新型 54比特處理器，該處理器由快速、高保真量子邏輯門組成，以執(zhí)行基準(zhǔn)測試。由此構(gòu)建的機器能夠在200秒內(nèi)完成目標(biāo)計算，而作為對比，要想產(chǎn)生類似的輸出將需要世界上最快的超級計算機一萬年的時間。
圖注：a）處理器的布局，顯示一個54量子位的矩形陣列（灰色），每個矩形都用耦合器（藍色）連接到最近的四個上。可以顯示不可操作的量子位。b，Sycamore 處理器的實物照片。
為了幫助理解實驗的內(nèi)容，首先想象有一群剛剛?cè)腴T的量子計算愛好者來到谷歌的量子計算實驗室參觀，然后想在谷歌的新量子處理器上運行一個量子算法試試效果。實驗室給他們提供了一張表，上面有處理器可以執(zhí)行的最基礎(chǔ)的門操作，他們可以組合這些操作來編寫算法。由于每個門都有一定概率出錯，這些愛好者編寫的算法就需要有一定的規(guī)模限制，整個操作序列中參與的門加起來不可以超過1000個。假設(shè)這群人此前并沒有什么編程經(jīng)驗，那么他們設(shè)計的操作序列看起來就很有可能是在一列隨機的門里走了一圈；可以把這個看作是量子計算機的“hello world”程序。由于這樣形成的隨機電路里沒有什么結(jié)構(gòu)可以供經(jīng)典算法利用，想要用經(jīng)典計算機模擬這樣的量子電路的話就通常避免不了用超級計算機進行長時間計算。
量子計算機上的這些隨機量子電路的每次運行都會產(chǎn)生一串二進制數(shù)字，比如 0000101. 由于量子相干性的存在，即便量子電路是隨機的，只要重復(fù)這個實驗足夠多次，它們產(chǎn)生的二進制數(shù)字的出現(xiàn)的概率就會顯出一定的模式，有一些結(jié)果會更經(jīng)常出現(xiàn)。想要找到這種隨機量子電路的輸出模式，在量子計算機上只不過是普通的任務(wù)，但如果想要用經(jīng)典計算機模擬這種計算的話，隨著量子比特數(shù)量（寬度）的增加和門循環(huán)次數(shù)（深度）的增加，計算難度會以指數(shù)速度增加。
圖注：演示量子優(yōu)越性的實驗過程
在實驗中，谷歌首先分別運行了12位量子比特到53位量子比特的隨機簡單電路，保持電路深度固定。他們測量了用經(jīng)典計算機模擬時的計算性能，并和理論模型進行了對比。一旦確認了系統(tǒng)能正常工作，他們就會運行53位量子比特的隨機困難電路并增加深度，一直到經(jīng)典模擬已經(jīng)變得不可行為止。
圖注：根據(jù) 薛定諤-費曼算法繪制的量子優(yōu)越性電路實驗結(jié)果示意圖，圖中自變量為量子比特數(shù)目和運行循環(huán)數(shù)量。圖中的紅色星是用經(jīng)典計算驗證對應(yīng)的實驗電路所需的時間。
這個實驗結(jié)果也成為了經(jīng)過拓展的邱奇-圖靈論題（Church-Turing thesis）的首個反對證據(jù)。邱奇-圖靈論題指出，經(jīng)典計算機可以高效地實現(xiàn)任何合理的計算模型。而在這個實驗中，谷歌已經(jīng)首次證明了存在無法被經(jīng)典計算機合理地模擬的量子運算，這也可以看做是谷歌已經(jīng)打開了一個計算的新世界，等待我們進一步探索。
谷歌的量子優(yōu)越性實驗是在Sycamore處理器上運行的，這是一個完全可編程的、具有54位量子比特的處理器。它具有二維的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其中每一個量子比特都和四個其它的量子比特相連接。受益于密集的連接，處理器芯片有很好的連接性，其中的量子比特的狀態(tài)可以很快地在整個處理器上傳遞、互動；處理器的整體狀態(tài)也就已經(jīng)完全沒辦法用經(jīng)典計算機做高效的仿真了。
谷歌設(shè)計的量子優(yōu)越性實驗之所以能夠成功，還是要歸功于他們改進過的含有兩位量子比特的門，它具有更高的并行能力，即便當(dāng)許多個門同時運行時也能可靠地帶來目前為止最高的性能。谷歌采用了一種新的控制節(jié)，它能夠關(guān)閉相鄰的量子比特之間的互動。這大大減少了這樣的多連接量子比特系統(tǒng)中的錯誤的數(shù)量。谷歌還優(yōu)化了芯片的設(shè)計降低串?dāng)_，以及開發(fā)了新的控制校準(zhǔn)方法，可以避免量子比特的缺陷；這都進一步提升了芯片的性能。
電路的結(jié)構(gòu)是一個二維矩形網(wǎng)格，其中每一個量子比特都和四個其它的量子比特相連接。這個架構(gòu)也帶有前向兼容性，可以和量子糾錯一共使用。54位量子比特從數(shù)量上已經(jīng)相當(dāng)驚人，但在谷歌看來，這也只不過是越來越強大的量子處理器之路上的第一步而已。
圖注：a）泡利誤差（黑色、綠色、藍色）和讀出誤差（橙色）的積分直方圖（經(jīng)驗累積分布函數(shù)，ECDF），在隔離的量子位上（虛線）以及同時操作所有量子位時（實線）進行測量。每個分布的中值出現(xiàn)在垂直軸上的0.50處。平均值（平均值）如圖所示。b）熱圖，顯示了位于處理器布局中的單比特和二比特泡利誤差e1（cross）和e2（bar）， 顯示了同時運行的所有量子位的值。
為了確保量子計算機未來也能持續(xù)地發(fā)揮作用，谷歌需要現(xiàn)在就確認它采用的量子機理沒有什么基礎(chǔ)性的問題。通過實驗來探索理論的邊界是物理學(xué)研究中悠久的優(yōu)良傳統(tǒng)，因為特殊的物理參數(shù)往往會勾勒出新的物理學(xué)范式，從而在實驗中體現(xiàn)為新的物理學(xué)現(xiàn)象。在之前的實驗中，谷歌的量子計算團隊已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，一直到大約1000維的狀態(tài)空間，量子機理的實際運行情況都符合他們的期待。
這次，他們把實驗的規(guī)模擴大到了 10^16 維，然后發(fā)現(xiàn)所有機理仍然可以正常運轉(zhuǎn)。他們也測量了基礎(chǔ)的量子理論，他們測量了具有2位量子比特的門的錯誤率，發(fā)現(xiàn)它可以準(zhǔn)確地預(yù)測完全達到了量子優(yōu)越性的電路的測試結(jié)果。這說明，他們沒有遇到什么會導(dǎo)致谷歌的量子計算機性能下降的意外的物理現(xiàn)象；也就是說，他們的實驗提供了有力的證據(jù)，表明更復(fù)雜的量子計算機也可以遵循現(xiàn)有的理論運行。這也讓谷歌的量子計算團隊更有信心構(gòu)建出更大規(guī)模的量子計算機。
Sycamore量子計算機完全可編程，而且可以運行通用的量子算法 。自從去年做出了量子優(yōu)越性的結(jié)果以來，谷歌量子計算團隊就一直在努力做出近期應(yīng)用方面的成果，包括量子物理模擬計算、量子化學(xué)方面，以及生成式機器學(xué)習(xí)和其它很多別的領(lǐng)域。
谷歌這支量子計算團隊未來有兩個主要的目標(biāo)，兩個目標(biāo)也都是要為量子計算找到有價值的應(yīng)用領(lǐng)域。首先，未來他們希望讓其他的合作者、學(xué)術(shù)研究人員都有機會使用這樣的計算能力足以展現(xiàn)量子優(yōu)越性的量子處理器，他們也同樣歡迎有興趣為今天的 NISQ 處理器開發(fā)算法、尋找應(yīng)用場景的企業(yè)參與進來。創(chuàng)新的最重要來源永遠是有創(chuàng)意的研究人員們，在谷歌看來，如今他們已經(jīng)有了新的計算資源，就希望能夠有更多的研究人員也加入到這個領(lǐng)域中來，并把創(chuàng)造出一些有用的東西作為他們的目標(biāo)。
其次，谷歌也會在團隊和技術(shù)方面做長期持續(xù)的投資，盡快建造出一個具備容錯能力的量子計算機。這樣的設(shè)備能給許多有價值的應(yīng)用帶來機會，比如，未來量子計算機有可能可以幫助我們設(shè)計新的材料，包括為電動汽車和飛機設(shè)計更輕的電池、可以更高效地生成化肥的催化劑（目前化肥生產(chǎn)的過程造成了全球碳排放的2%）、也可以找到更有效的藥品。真正達到這些任務(wù)所需的計算能力肯定還需要很多年的扎實的工程和科學(xué)研究，但在谷歌看來，這條道路已經(jīng)非常清晰，他們已經(jīng)迫不及待地邁步前行。
雷鋒網(wǎng)報道。
參考資料：
[1] 英國金融時報在9月20日對谷歌“量子優(yōu)越性”的報道，https://www.ft.com/content/b9bb4e54-dbc1-11e9-8f9b-77216ebe1f17
[2] IBM 對谷歌“量子優(yōu)越性”的回應(yīng)博客 On “Quantum Supremacy”, https://www.ibm.com/blogs/research/2019/10/on-quantum-supremacy/
[3] IBM對谷歌“量子優(yōu)越性”論文的驗證，發(fā)表在arXiv上, https://arxiv.org/pdf/1910.09534.pdf
[4] 量子優(yōu)越性論文, https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5
[5] 谷歌CEO皮查伊撰寫文章“量子計算里程碑的意義”，https://www.blog.google/perspectives/sundar-pichai/what-our-quantum-computing-milestone-means/
[6] 量子優(yōu)越性技術(shù)博客, https://ai.googleblog.com/2019/10/quantum-supremacy-using-programmable.html
【封面圖片來源：網(wǎng)站名谷歌，所有者：谷歌】
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