深度揭秘谷歌「量子霸权」计划:有望明年底突破经典计算极限

昨日,New Scientist 发表文章解密谷歌量子计算机的进展。文章中写到,量子计算领域正在快速重组,谷歌的工程师已经悄悄拿出了计划想要成为该领域的霸主!

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上图是超导量子位,来自 UCSB

在加利福尼亚州的某个地方,谷歌正在打造某种能将计算技术带进一个新时代的设备——量子计算机(quantum computer)。谷歌正在打造的这台量子计算机是有史以来最大的,其目的是为了一劳永逸地证明这种使用了奇异的物理学的机器能够超越当下顶级的超级计算机的性能。

而 New Scientist 也了解到这一目标的实现可能将会比所有人的预期更早——甚至可能就在明年年底之前!

量子计算革命已经等待了很长的时间了。20 世纪 80 年代时,理论学家认识到基于量子力学的计算机有望在特定的任务上远超普通或经典计算机的性能。但说起来简单做起来难,直到最近,可以击败经典计算机的量子计算机才有望从实验室研究变成现实真正可用的东西,而谷歌想造出第一台。

这家公司的规划目前还是机密,谷歌也拒绝就这篇文章发表评论。但 New Scientist 接触过的一些科学家都相信现在它们已经处在了实现重大突破的边缘,紧接着就将有大会和私人会议上的演示出现了。

「他们现在肯定是世界上最领先的,这是毫无疑问的,」日本新兴物质科学中心(RIKEN Center for Emergent Matter Science)Simon Devitt 说,「谷歌稳操胜券。如果谷歌最后没有成功,那一定是什么地方出了问题。」

我们简单了解了谷歌的意图。上个月,谷歌的工程师悄悄发布了一篇描述了他们的计划细节的论文《Characterizing Quantum Supremacy in Near-Term Devices(在短期的设备内表征量子霸权)》。他们的目标被大胆地命名成了「Quantum Supremacy(量子霸权)」,其目标是打造世界上第一个可以执行经典计算机无法执行的任务的量子计算机。

「这是他们未来几年规划的蓝图,」得克萨斯大学奥斯汀分校 Scott Aaronson 说,他曾和谷歌的这个团队讨论过这个规划。

所以他们会怎么做?量子计算将信息作为量子位(qubit)进行处理。和经典的位(bit/比特)不一样,由于量子叠加原理,量子位可以同时存储 0 和 1 的混合状态。正是这样的潜力让量子计算机在一些特定的任务上具备了优势,比如大数因子分解。但普通的计算机在这些任务上也能取得很好的表现。要证明量子计算更好,会需要用到数千个量子位,而这远远超出了我们现有的技术能力。

而谷歌想要实现 50 个量子位的成果。这仍然是一个很有雄心的目标——就目前公开的消息来看,他们只公布了一个 9 量子位的计算机——但这是一个可以实现的目标。

谷歌稳操胜券。如果谷歌最后没有成功,那一定是什么地方出了问题。

为了成功实现这一目标,谷歌已经开始了量子核心问题的攻关。他们正在专注解决对普通计算机来说极度困难,而对量子计算机来说可以自然地解决的问题:模拟量子电路(quantum circuits)随机排布的行为。

这些量子电路中输入的任何微小变化都可能带来非常不同的输出,所以对经典计算机来说,是很难通过逼近以简化该问题的方法来作弊式地解决这个问题的。「他们正在打造一个量子版本的混沌(chaos),」Devitt 说,「其输出本质上是随机的,所以你必须计算所有东西。」

为了找到经典计算的极限,谷歌寻求了 Edison 的帮助。Edison 是世界上最先进的超级计算机之一,安置在美国国家能源研究科学计算中心( US National Energy Research Scientific Computing Center)。谷歌用其模拟了越来越大的量子位网格(grids of qubits)的量子电路的行为,发现最多能模拟 6×7 网格的 42 个量子位。

这种计算非常困难。因为随着网络大小的增长,存储所有数据所需的内存就会快速暴增。一个 6×4 的网格仅需要 268 MB,比一般的智能手机的内存还小。而一个 6×7 的网格则需要 70 TB,差不多是高端个人计算机的 10,000 倍。

谷歌没再继续增大网格,因为再增大一点对现在的技术来说就已经是不可能的了:一个 48 量子位的网格需要 2.252 PB 的内存,这差不多相当于现在世界上最强大的超级计算机的两倍。如果谷歌可以解决 50 个量子位的量子计算机的问题,那么它就将超越世界上任何已经存在的计算机。

矢志不移

通过设置这个明确的测试,谷歌希望能够避免那些困扰过之前的宣称量子计算机超越普通计算机的断言的问题——其中包括谷歌宣称的一些。

去年,该公司曾宣布通过使用一台 D-Wave 量子计算机(一款饱受争议的已经商业化的设备),该公司以超过经典计算机 1 亿倍的速度解决了一些特定的问题。相关专家立即反驳了这一结果,他们说这并不是一次公平的比较。

谷歌在 2013 年购买了一台 D-Wave 计算机,想要搞清楚它是否可以被用于改善搜索结果和人工智能。后一年,该公司聘请了加州大学圣塔芭芭拉分校的 John Martinis 来设计自己的超导量子位(superconducting qubit)。Aaronson 说,「他的量子位的质量要高得多。」

现在正是 Martinis 及其同事想要尝试实现 50 量子位的 quantum supremacy(量子霸权),而且许多人相信他们很快将取得成功了。「我认为这将在两到三年内实现,」瑞士苏黎世兰邦理工学院的 Matthias Troyer  说,「他们已经让人们看到了他们将怎么做的具体步骤。」

Martinis 及其同事已经就实现这一里程碑的时间表做过很多讨论了,Devitt 说。最早的估计是今年年底,但看起来不太可能。「我比较乐观,我觉得可能会是在明年年底。」他说,「就算他们在接下来的五年之内才完成,那也将会是一个巨大的飞跃。」

第一个成功的量子争霸实验并不能直接给我们带来可以执行任何可以想象的任务的计算机——基于目前的理论,这种计算机将会非常庞大。但有一个可以工作的小型计算机可以推动创新或者增强现有的计算机,从而使之成为一个新时代的开始。

Aaronson 将其比作是第一个自持核反应(self-sustaining nuclear reaction)——1942 年由曼哈顿计划在芝加哥实现。他说:「这可能会让人们说:如果我想要一台完全可扩展的量子计算机,就让我们谈谈数字:要花多少亿美元?」解决构建 50 量子位设备的难题之后,谷歌就为更大的目标做好了准备。「这是构建完全可扩展的机器之路上的绝对重大进展,」牛津大学 Ian Walmsley 说。

为了量子计算机能在长远上真正有用,我们还需要稳健的量子纠错(quantum error correction)技术——一种用来减轻量子态脆弱性的技术。Martinis 等人已经在研究这方面的问题了,但这将要花费比实现 quantum supremacy(量子霸权)更长的时间。

不过,霸权的实现不会被取消。

「一旦一个系统达到了量子霸权,并且表现出了明显的规模化行为,那么它就将成为私有企业天空上耀眼的火炬。」Devitt 说,「就为走出实验室做好了准备。」

「这个领域的发展速度比原来预想的快得多,」Troyer 说,「现在是时候将量子计算从科学变成工程并真正打造设备了。」



论文:在短期的设备内表征量子霸权(Characterizing Quantum Supremacy in Near-Term Devices)

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摘要

对于近未来的量子计算领域,一个关键的问题是:没有纠错(error correction)的量子设备能否执行定义良好的计算任务,并在这些任务上超越当前最好的经典计算机的能力,从而实现所谓的量子霸权(quantum supremacy)。我们研究了从(伪)随机量子电路的输出分布中进行采样的任务——这是一个用来评测量子计算机的自然任务。重要的是,对这样的分布进行采样需要该电路的直接数值模拟(direct numerical simulation),同时计算成本会随量子位的数量指数式地增长。这是混沌系统(chaotic systems)的典型要求。我们在计算复杂度上延展了之前的结果,以更正式地说明这种采样任务会在经典计算机上消耗指数级更多的时间。我们研究了混沌状态(chaotic regime)的收敛(convergence),该研究使用了应用广泛的超级计算机模拟建模了多达 42 个量子位的电路——这是目前在实现量子霸权的任务上最大的量子电路。我们认为尽管混沌状态对错误非常敏感,但量子霸权可以通过大约 50 个超导量子位在短期内实现。我们引入了交叉熵(cross entropy)作为量子电路的评测基准,这近似于电路保真度(circuit fidelity)。我们证明这种交叉熵可在电路模拟可用时测定。除了传统上可测量的状态,该交叉熵还可通过电路保真度的理论估算进行比较来进行推断,从而可以定义出一种实用的量子霸权测试方法。

论文地址:Characterizing Quantum Supremacy in Near-Term Devices

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