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200秒=超算1万年,谷歌实现“量子霸权”论文上

作者: 大成 发布时间: 2019年10月28日 20:49:50

边策 栗子 发自 凹非寺

200秒=超算1万年,谷歌实现“量子霸权”论文上

量子计算机用3分20秒完成的一项计算,全球最强大的超算Summit要花1万年。

这个成果,来自谷歌最新的量子计算研究,发表在NASA官网上。论文宣布,“量子霸权”实现了。

英国政府的量子技术顾问Steve Brierley说:

这是第一次有人证明,量子计算机的性能真的能超过经典计算机。

是个了不起的成就。

这是第一次有人证明,量子计算机的性能真的能超过经典计算机。

是个了不起的成就。

另外,美国民主党的总统参选人杨安泽,推特转发了这则,引起强烈关注,一日便有5100人点赞:

大事啊,至少说明,没有什么破解不了的密码了。

大事啊,至少说明,没有什么破解不了的密码了。

200秒=超算1万年,谷歌实现“量子霸权”论文上

虽然,NASA没过多久便下架了这篇论文,但正因如此,人类反而对谷歌新的成果更加好奇了。

一窥论文

NASA匆匆撤下了论文,我们仍然能从网页缓存中一窥论文的内容。

谷歌在论文摘要中说:

我们使用具有53个超导量子位的可编程处理器,占用状态空间为253≈1016。重复实验的测量结果会采样相应的概率分布。

我们使用经典模拟进行验证。虽然我们的处理器大约需要200秒来采样一

百万个量子电路实例,但是一台先进的超级计算机将需要大约1万年的时间来执行等效的任务。

相对于所有已知经典算法而言,这种巨大的提速在实验中实现了计算任务上的量子霸权,并预示了人们期待已久的计算范式的出现。

我们使用具有53个超导量子位的可编程处理器,占用状态空间为253≈1016。重复实验的测量结果会采样相应的概率分布。

我们使用经典模拟进行验证。虽然我们的处理器大约需要200秒来采样一

百万个量子电路实例,但是一台先进的超级计算机将需要大约1万年的时间来执行等效的任务。

相对于所有已知经典算法而言,这种巨大的提速在实验中实现了计算任务上的量子霸权,并预示了人们期待已久的计算范式的出现。

在摘要中,谷歌揭示了这台量子计算机强大的原因,由于量子力学中物体的状态是在希尔伯特空间中演化,因此只需53个量子位就可以模拟1016种状态,而这个数字已经超出了当今超级计算机的运算能力(一般是等价于50个量子比特)。

主要指出的是谷歌虽然实现了72个量子位的芯片,但这和72位量子计算机是两回事。谷歌Bristlecone芯片是利用9个相同模式的量子比特进行耦合,然后依次扩展出去,并非实现了两两量子比特之间的耦合。

量子计算机的实际应用也面临诸多问题。由于在于0和1两种状态之间的能量差太小,需要降低到绝对零度附近,才能防止被热量所破坏。

此外,粒子之间状态的耦合也有时间限制,时间一长,两个粒子将不再“相干”。在进行量子计算实验时,所有的量子操作要在量子退相干之前完成,才能保证量子操作的保真度(Fidelity),否则运算结果将不再可信。

今年3月,谷歌在一篇论文中给出了如下的量子计算机演化概念图:

200秒=超算1万年,谷歌实现“量子霸权”论文上

这张图显示了量子计算错误率和量子比特数之间的关系。谷歌量子人工智能实验室的预期研究方向为图中红色曲线,他们希望通过建立纠错量子计算机,降低错误率,从而将这项技术推入右下角的绿色可用区域。

什么是量子霸权

量子霸权,也叫量子优势,即在未来的某个时刻,功能强大的量子计算机可以完成经典计算机几乎不可能完成的任务。

比如在一天之内破解原本几万年才能破解的密码、实现通用人工智能、快速模拟分子模型。

提出这一假想的原因是,量子计算机的发展似乎遵循着“内文定律”,而经典计算机遵循着“摩尔定律”。

200秒=超算1万年,谷歌实现“量子霸权”论文上

提出内文定律的Hartmut Neven

摩尔定律为大众所熟知,即计算机芯片的晶体管密度每18个月翻一番,算力增强一倍,这是一种指数增长的规律。但是近年来随着晶体管的尺寸逐渐逼近物理学极限,这一定律已经放缓甚至失效。

而来自谷歌量子人工智能实验室的负责人Hartmut Neven认为,量子计算机的速度正在以双指数的速度增长。双指数是指数之上再加一层指数,形式如下:

Neven认为,量子计算机比经典计算机存在着两个指数优势:

首先,量子位相比普通位具有效率优势,如果一个量子电路具有4个量子位,那么需要一个具有16个普通位的经典电路才能实现等效的计算能力。

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