谷歌量子計(jì)算突破登Nature封面，200秒頂超算10000年，川普之女：美國(guó)實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)

邊策 栗子 魚羊 李根 發(fā)自 凹非寺

量子位 報(bào)道 | 公眾號(hào) QbitAI

谷歌突破一小步，人類科學(xué)一大步。

這個(gè)突破經(jīng)由CEO皮猜親自官宣、論文登上Nature 150周年紀(jì)念特刊、各大主流媒體頭版頭條、熱度全網(wǎng)第一，甚至連特朗普的大女兒伊萬(wàn)卡都忍不住第一時(shí)間發(fā)出賀電：

官宣。美國(guó)實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)！

沒錯(cuò)，就是那個(gè)量子計(jì)算200秒=地球最強(qiáng)超算1萬(wàn)年的突破，現(xiàn)在谷歌以最隆重的形式對(duì)外官宣，超過(guò)計(jì)算機(jī)識(shí)別貓、蓋過(guò)AlphaGo橫空出世。

而且谷歌CEO還難掩激動(dòng)地介紹，這就像飛機(jī)最初被發(fā)明的時(shí)刻——萊特兄弟的飛機(jī)第一次只飛了12分鐘，但它證明了飛機(jī)飛行的可能性。

這是一個(gè)歷史性時(shí)刻，谷歌也首次透露，已經(jīng)為此埋頭攻堅(jiān)了13年。

量子優(yōu)越性首次實(shí)現(xiàn)

Quantum Supremacy，伊萬(wàn)卡口中的“量子霸權(quán)”，谷歌更傾向于翻譯為量子優(yōu)越性。

直白來(lái)說(shuō)，量子優(yōu)越性就是在未來(lái)的某個(gè)時(shí)刻，功能強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)可以完成經(jīng)典計(jì)算機(jī)幾乎不可能完成的任務(wù)。

比如在一天之內(nèi)破解原本幾萬(wàn)年才能破解的密碼、實(shí)現(xiàn)通用人工智能、快速模擬分子模型。

此前對(duì)于這樣的里程碑突破，都處于設(shè)想階段，從未被實(shí)現(xiàn)。

但一個(gè)月前，谷歌的論文草稿，“意外”在NASA官網(wǎng)發(fā)布，結(jié)果非常震撼，稱200秒的量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)了最強(qiáng)超算1萬(wàn)年的結(jié)果。

但不料論文匆匆下架，反而引起更大關(guān)注。

當(dāng)時(shí)輿論炸了鍋，有認(rèn)為谷歌淪為“神棍”瞎咋呼的，也有認(rèn)為出于美國(guó)國(guó)家安全被下架……

更有競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手直接攻擊，IBM就甚至專門發(fā)表了一篇論文，質(zhì)疑谷歌“誤導(dǎo)大眾”。

而現(xiàn)在，論文正式在Nature上發(fā)表，谷歌CEO劈柴哥驕傲官宣谷歌AI團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)越性，還在博客中強(qiáng)調(diào)：

就像第一枚火箭成功地脫離地球引力，飛向太空邊緣。這一突破向我們展示了什么是可能的，并把看似不可能實(shí)現(xiàn)的事物推到了我們面前。這就是這一里程碑對(duì)量子計(jì)算世界的意義：一個(gè)充滿可能性的時(shí)刻。

皮猜還說(shuō)，谷歌為此已經(jīng)努力了13年。并且一度因?yàn)檫M(jìn)展有限而沮喪。

在量子計(jì)算上，谷歌的攻堅(jiān)從13年前開始。

2006年，谷歌科學(xué)家Hartmut Neven開始探索一個(gè)新的idea——用量子計(jì)算來(lái)加快機(jī)器學(xué)習(xí)的速度，并催生了谷歌AI量子團(tuán)隊(duì)。

接著2014年，美國(guó)物理學(xué)會(huì)院士John Martinis加入了谷歌，擔(dān)任谷歌量子硬件首席科學(xué)家，領(lǐng)導(dǎo)構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的工作。

兩年后，量子計(jì)算理論首席科學(xué)家Sergio Boixo在Nature Communications上發(fā)表了相關(guān)論文，最終將團(tuán)隊(duì)的工作重點(diǎn)聚焦到了量子優(yōu)勢(shì)性計(jì)算任務(wù)上來(lái)。

這是一場(chǎng)科研的馬拉松，一切都從零起步。即使對(duì)于谷歌的明星團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，這樣的工作也一樣是巨大的挑戰(zhàn)。

實(shí)際上，在去年10月之前，谷歌在量子優(yōu)越性方面的進(jìn)展始終有限。

然而萬(wàn)萬(wàn)沒想到，2018年10月加州野火撲不滅，出于安全考慮，谷歌不得不短暫關(guān)閉位于圣克拉拉的實(shí)驗(yàn)室，一眾科學(xué)家也被迫休假。

但就在這期間，反而催生出新思路，然后實(shí)現(xiàn)了真正的躍遷。

皮猜還感慨，量子計(jì)算并非明確性的未來(lái)，要相信并堅(jiān)定認(rèn)為能實(shí)現(xiàn)，并不容易。

但谷歌內(nèi)部始終相信，量子計(jì)算可以加速解決世界上一些最緊迫的問(wèn)題。量子計(jì)算能為人類在分子尺度上理解和模擬自然界提供前所未有的良機(jī)。

皮猜還說(shuō)，量子計(jì)算將是對(duì)人們?cè)诮?jīng)典計(jì)算機(jī)上所做工作的偉大補(bǔ)充，量子給計(jì)算帶來(lái)了一個(gè)完整的循環(huán)。

不過(guò)，即便現(xiàn)在里程碑時(shí)刻已經(jīng)到來(lái)，皮猜也提醒說(shuō)，這只是證明可方向可行性，還不是馬上大規(guī)模商用發(fā)揮效用的時(shí)刻，我們需要繼續(xù)攻堅(jiān)，需要繼續(xù)砥礪前行。

無(wú)意的泄露

就像開頭說(shuō)的，谷歌這項(xiàng)量子優(yōu)越性的研究，在Nature發(fā)表之前，就在NASA官網(wǎng)短暫出現(xiàn)過(guò)。

那么問(wèn)題來(lái)了，為什么是NASA發(fā)布？為什么上架不久便撤回了呢？

根據(jù)《金融時(shí)報(bào)》報(bào)道，谷歌去年已經(jīng)和NASA展開合作，并立下flag：2019年實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性，就是讓量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算機(jī)，完成經(jīng)典計(jì)算機(jī)做不到的計(jì)算。

計(jì)劃是把量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的結(jié)果，與經(jīng)典仿真 (在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上模擬量子電路) 進(jìn)行比較。

雙方合作用的量子芯片叫Bristlecone，有72個(gè)量子比特。Bristlecone必須把超導(dǎo)電路維持在絕對(duì)零度附近，所以沒法搬離谷歌的實(shí)驗(yàn)室，NASA研究人員只能通過(guò)谷歌云API遠(yuǎn)程連接芯片。

按照約定，雙方2019年初在NASA最強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)Pleiades上對(duì)運(yùn)行仿真所需的軟件進(jìn)行編碼，并在今年7月，比較量子電路仿真和谷歌量子計(jì)算機(jī)硬件的結(jié)果。

谷歌和NASA一直持樂(lè)觀態(tài)度，但業(yè)界也有人這個(gè)flag要倒。阿里巴巴數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施和搜索技術(shù)部門的研究人員發(fā)表了一篇論文，認(rèn)為要實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性可能需要錯(cuò)誤率更低的量子芯片。

南加州大學(xué)量子信息科學(xué)與技術(shù)中心主任Daniel Lidar也對(duì)此表示懷疑。他接受麻省理工科技評(píng)論時(shí)說(shuō)：“（實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性）似乎還需要其他方式抑制錯(cuò)誤。”

如果通過(guò)了同行評(píng)審，就意味著flag沒有倒，且量子計(jì)算將進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代。

那為什么NASA發(fā)布論文不久便撤回了呢？

《財(cái)富》雜志報(bào)道說(shuō)，那時(shí)研究成果還沒有經(jīng)過(guò)完整的同行評(píng)審。

如今只過(guò)了一個(gè)月，論文便登上了Nature，可信度大大提升，量子計(jì)算的新時(shí)代真正到來(lái)。

所以具體論文內(nèi)容是什么？

論文詳解

在撤回論文一個(gè)月后，谷歌終于將論文發(fā)表在了《Nature》上。

谷歌在論文摘要中說(shuō)：

我們使用具有53個(gè)超導(dǎo)量子比特的可編程處理器，占用狀態(tài)空間為253≈1016。重復(fù)實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果會(huì)采樣相應(yīng)的概率分布。

經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的比特只能處于0或者1兩種狀態(tài)，而薛定諤貓告訴我們，貓可以處于死和活兩種狀態(tài)的疊加，量子比特也一樣，能同時(shí)處于0和1兩種狀態(tài)。

1個(gè)量子比特只能表示2個(gè)狀態(tài)，2個(gè)量子比特就能表示4個(gè)狀態(tài)，3個(gè)量子比特就能表示8個(gè)狀態(tài)，以此類推。

由于量子力學(xué)中物體的狀態(tài)正是在這種疊加狀態(tài)空間中演化，再加上不同量子比特之間的耦合，就可以模擬出更多的狀態(tài)。

因此只需53個(gè)量子比特就可以模擬10¹⁶種狀態(tài)，而這個(gè)數(shù)字已經(jīng)超出了當(dāng)今超級(jí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力。

說(shuō)完了量子計(jì)算機(jī)的基本概念，下面我們看一下谷歌量子計(jì)算機(jī)的硬件。

谷歌把這個(gè)實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性的量子處理器叫做“Sycamore”。它由54個(gè)transmon量子比特的二維陣列組成，每個(gè)比特與周圍的4個(gè)比特相耦合。

上圖展示了Sycamore處理器的布局，包含54個(gè)量子位的陣列（以灰色×表示），每個(gè)矩形都通過(guò)耦合器（以藍(lán)色方塊表示）連接到其四個(gè)最近的近鄰。

整個(gè)處理器的外觀和普通的CPU芯片非常相似。

該處理器使用鋁制造，實(shí)現(xiàn)了低溫超導(dǎo)中的約瑟夫森結(jié)，并使用銦制造兩個(gè)硅晶片之間的凸點(diǎn)。芯片被引線連接到到超導(dǎo)電路板上，并在稀釋制冷裝置中被冷卻至20mK以下。

這一溫度只比絕對(duì)零度高百分之二度，之所以要如此冷，是為了將將環(huán)境熱能降低到大大低于量子勢(shì)能，防止外界熱量對(duì)量子處理器的干擾。

處理器通過(guò)濾波器和衰減器連接到室溫電子設(shè)備，后者可合成控制信號(hào)。所有量子位的狀態(tài)可以通過(guò)同時(shí)利用頻率復(fù)用的技術(shù)來(lái)讀取。

為了完全控制這個(gè)量子處理器，谷歌還精心設(shè)計(jì)了277個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

那么谷歌，用量子力學(xué)原理，和這樣一個(gè)超級(jí)復(fù)雜的量子硬件解決了什么問(wèn)題呢？

恰恰是一個(gè)經(jīng)典計(jì)算所不善于解決的量子電路采樣問(wèn)題，在這個(gè)問(wèn)題上，經(jīng)典計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力顯得捉襟見肘了。

量子計(jì)算機(jī)上每次運(yùn)行隨機(jī)量子電路都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)位串，例如0000101。由于量子干涉，就像激光在通過(guò)狹縫后形成的散斑一樣，進(jìn)行重復(fù)多次實(shí)驗(yàn)時(shí)（采樣），某些位串比其他位串更容易出現(xiàn)。

然而，隨著量子比特的數(shù)量n（寬度）和門循環(huán)數(shù)量m（深度）的增加，用經(jīng)典計(jì)算機(jī)為隨機(jī)量子電路找到最可能的位串變得越來(lái)越困難。

在實(shí)驗(yàn)中，谷歌首先運(yùn)行12到53量子比特的隨機(jī)簡(jiǎn)化電路，保持電路深度恒定。

驗(yàn)證系統(tǒng)正常運(yùn)行后，谷歌運(yùn)行了53量子比特且深度不斷增加的隨機(jī)硬電路，當(dāng)深度m增加到20時(shí)，經(jīng)典仿真變得完全不可用。

在量子處理器上獲得一百萬(wàn)個(gè)樣本需要200秒，而在一百萬(wàn)個(gè)內(nèi)核上進(jìn)行相等保真度經(jīng)典采樣將花費(fèi)1萬(wàn)年，而對(duì)保真度的驗(yàn)證將花費(fèi)數(shù)百萬(wàn)年。

谷歌在論文中只是展示了量子計(jì)算機(jī)的一種應(yīng)用，未來(lái)可以用它來(lái)解決包括量子物理學(xué)和量子化學(xué)模擬在內(nèi)的問(wèn)題。

量子計(jì)算的突破，還能促成機(jī)器學(xué)習(xí)的新應(yīng)用，加速解決世界正在面臨的一些最緊迫而復(fù)雜的問(wèn)題。比如氣候變化的模擬，比如探究哪一些分子能夠制造更有效的藥物。

IBM不服，指控谷歌忽悠

有很多科技公司都在從事量子計(jì)算機(jī)的研究，其中就包括IBM、微軟的傳統(tǒng)IT巨頭，也有阿里巴巴這樣的互聯(lián)網(wǎng)公司。

就在谷歌正式公布論文的前一天晚上，IBM選擇了和谷歌硬懟。

這位藍(lán)色巨人說(shuō)，谷歌關(guān)于量子優(yōu)越性的說(shuō)法是有缺陷的。因?yàn)楣雀鑼?shí)際上是在沒有充分利用超級(jí)計(jì)算機(jī)的全部能力的情況下進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)的。

對(duì)此，谷歌拒絕置評(píng)。

IBM的話通俗地說(shuō)，就是谷歌調(diào)整了baseline。谷歌原本在論文中，他們的量子計(jì)算機(jī)只需200秒就解決了原本超算需要1萬(wàn)年才能解決的問(wèn)題。

但I(xiàn)BM表示，實(shí)際上這個(gè)問(wèn)題并沒有谷歌宣傳的那么難，如果有時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，那么超算只需要2.5天就能解決該問(wèn)題。

雖然這個(gè)時(shí)間仍然比量子計(jì)算機(jī)所需的長(zhǎng)得多，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒到遙不可及的地步。

在IBM看來(lái)，所謂的量子優(yōu)越性是要做到經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法做到的事情，而谷歌顯然沒有做到這一點(diǎn)。

IBM的量子計(jì)算研究員Jay Gambetta說(shuō)，公司不是為了與谷歌對(duì)抗，而是為了避免將“量子優(yōu)越性”一詞過(guò)度宣傳。

也有人認(rèn)為，谷歌實(shí)現(xiàn)是否實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性并不重要，IBM與谷歌的爭(zhēng)吵誰(shuí)對(duì)誰(shuí)錯(cuò)也不重要。

重要的是在這些巨頭的競(jìng)爭(zhēng)之下，量子計(jì)算技術(shù)正在以超乎我們想象的進(jìn)程飛速發(fā)展。

兩位首席科學(xué)家牽頭

Sergio Boixo是谷歌AI量子實(shí)驗(yàn)室的量子理論首席科學(xué)家，也在南加州大學(xué)電氣工程系任教。

他的研究領(lǐng)域是波色-愛因斯坦凝聚、量子信息、量子計(jì)算、量子通訊等，目前已在他的領(lǐng)域發(fā)表了84篇論文，總計(jì)被引用3259次。

來(lái)自谷歌AI量子實(shí)驗(yàn)室的John Martinis，是量子硬件首席科學(xué)家。他曾是NIST的院士，也是美國(guó)物理學(xué)會(huì)的院士，目前也在加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校工作。

John Martinis畢業(yè)于加州大學(xué)伯克利分校，并在那里他獲得了兩個(gè)物理學(xué)學(xué)士和博士學(xué)位。

之后他加入了美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)研究所（NIST），在此期間，他還發(fā)明了串聯(lián)陣列超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）放大器。

1993年，他開始著手建立基于超導(dǎo)傳感器和串聯(lián)陣列SQUID的高分辨率X射線微熱量計(jì)。這項(xiàng)工作已經(jīng)發(fā)展到包括在X射線微分析和天體物理學(xué)以及光學(xué)和紅外天文學(xué)中的應(yīng)用。

在2010年，他被授予“年度科學(xué)突破”獎(jiǎng)，原因是他首次證明了機(jī)械振蕩器系統(tǒng)中的量子基態(tài)。

2014年，他被授予倫敦超導(dǎo)量子比特低溫物理學(xué)研究獎(jiǎng)，同年加入谷歌領(lǐng)導(dǎo)量子硬件的研究工作。

One more thing

最后的最后，在這歷史性時(shí)刻，讓我們用皮猜接受MIT科技評(píng)論專訪的一些回答來(lái)結(jié)尾吧：

我對(duì)這樣的里程碑時(shí)刻備感興奮，但確實(shí)也要提醒大家，這只是一個(gè)可能性被驗(yàn)證的開始，距離真正的大規(guī)模變革還需要很長(zhǎng)時(shí)間——甚至是10年，但我們可以為科技發(fā)展的速度感到樂(lè)觀，

當(dāng)我們回顧深藍(lán)1997年擊敗卡帕羅夫、AlphaGo在2016年擊敗李世石，或許突破所需的時(shí)間不算短，但當(dāng)這樣的時(shí)刻到來(lái)，就會(huì)有更多人投入其中、加入其中，我們?nèi)祟惥褪沁@樣進(jìn)步的。

而且當(dāng)前如此令人興奮，我們正處在時(shí)代性技術(shù)周期里，AI會(huì)加速量子計(jì)算，量子計(jì)算也會(huì)加速AI，人類遭遇的那些大挑戰(zhàn)、大難題，現(xiàn)在有機(jī)會(huì)了。

— 完 —

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