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谷歌宣布量子霸权 IBM表示你们有BUG

时间: 2019年10月28日 | 作者: 吴非 | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
谷歌研制的量子计算机实现“量子霸权”,用200秒就能解决的问题,当今最强超级计算机需要1万年。但是,IBM却指出这项研究存在明显漏洞。


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图片来源:Google


最新一期《自然》期刊的封面文章,证实了谷歌在量子计算领域的重要进展:谷歌研制的量子计算机首次实现“量子霸权”,其用200秒就能解决的问题,当今最强的超级计算机需要花费1万年。但是,IBM却指出,这项研究存在明显的漏洞。这场争议因何而起,量子计算究竟发展到了什么阶段?


撰文 | 吴非



一度撤下的重大突破


9月22日,NASA官网上出现了一篇关于谷歌量子计算的论文。尽管当时只是发表在预印本网站,但论文一经公布,便引起轰动。因为谷歌在论文中宣布,他们取得了量子计算领域的里程碑式突破:一个包含53量子比特的处理器,首次实现了量子霸权。


量子计算机有着远超传统计算机的潜力,这已经是相关科学家的共识。一个直观的理由是,传统计算机的比特,也就是基本信息单位,只能是0、1这两种状态中的一个;而量子比特可以是0和1的叠加态,即同时处于这两种状态。因此,量子比特存储信息的潜能比传统的比特更强。


不过,虽然理论很诱人,但量子计算机的实践却并不顺利。一个限制因素是时间:量子相干的时间是有限的,如果量子退相干之前,量子计算还没有完成,那么最终的运算结果自然没有意义。此外,量子计算需要在接近绝对零度的低温下进行,因为热量可能会干扰、破坏量子态。


因此,量子计算面临着巨大的挑战:参与耦合的量子比特越多,其运算能力将以惊人的双指数增长;但与此同时,机器保持量子态的难度也越大。


2012年,加州理工学院的量子物理学教授约翰·普雷斯基尔(John Preskill)在一篇文章中提出了“量子霸权”(quantum supremacy;也有译作“量子优越性”,但supremacy原有霸权、至上的涵义)的概念。简单地说,量子霸权要求量子计算机能够完成经典计算机几乎不可能完成的任务。通常人们认为,需要大约50个量子比特,能达到量子霸权。但很长一段时间内,这都是研究团队难以企及的目标。


因此,当谷歌的论文在一个月前突然上线,很多人的第一反应是不可思议。而且,NASA网站上的论文很快又被删除,这使得谷歌的量子计算研究又增添了一丝神秘色彩。如今,随着这篇论文以封面论文的形式出现在最新一期的《自然》期刊,谷歌的工作最终得到了证实。在这项研究中,谷歌团队是怎样实现量子霸权的?



随机数采样实验


在这篇论文中,约翰·马丁尼斯(John Martinis)带领的团队构建了一个名为Sycamore的量子芯片。这个芯片由140个量子比特构成。其中54个是Transmon量子比特,用于储存信息;另外86个量子比特则用作耦合器,连接上述量子比特。最终,每个Transmon和4个耦合器相连,组成如下图所示的量子电路。不过,由于其中一个Transmon出现了故障,最终用于演示量子霸权的量子比特是53个。


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研究团队首先利用这个系统进行了单量子比特和双量子比特计算,其保真度在99%~99.9%之间——这是令研究者满意的数据。随后,他们设计了一项对传统计算机而言非常困难的任务:对电路产生的随机数进行采样。正是在这项任务中,出现了报道中最震撼的数据:Sycamore在200秒内完成的任务,传统计算机需要花费1万年之久。


我们知道,每个量子比特可以生成0和1两个数字中的一个,那么这53个量子比特共同组成的数字串有253种可能性。如果是传统的电路,每种结果出现的可能性是完全一致的,但量子电路却并非如此:由于量子比特之间存在相干性,就像是干涉实验中粒子集中在某些条纹,这项实验中一些数字串出现的可能性也更高。研究者令Sycamore对量子电路进行采样,运行100万次后,计算字符串的概率分布。采样数量越多、每次采样的深度越深,任务的难度也就越大。研究团队还与目前最强的传统计算机——美国橡树岭国家实验室的Summit进行了对比。


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 Sycamore量子芯片


进行100万次采样、每次采样的深度为20层时,Sycamore用时200秒,保真度为0.2%。而Summit超级计算机尽管包含了超过9000个强大的中央处理器,以及近2.8万个图像处理器,却需要1万年才能完成这一任务。如此大的差距,足以让谷歌宣称量子霸权的到来。


当然,需要说明的是,这项研究的目的不在于证明量子计算机的实际用途,他们挑选的任务也不具备真正的应用价值,而仅仅是展示量子计算机的能力。因此,距离量子计算的下一个重要里程碑——真正通用的量子计算机,依然遥远。



又一个“Hello world”


但无论如何,这项成果仍旧令人振奋——至少谷歌CEO桑达尔·皮查伊(Sundar Pichai)是这样认为的。就在论文发表的当天,皮查伊在官网上发布了一篇题为《量子计算里程碑的意义》的博文。皮查伊在博文回顾了谷歌在量子计算领域的漫长研究历程:


2006年,谷歌科学家、现为谷歌AI量子实验室主任的哈特穆特·内文(Hartmut Neven)开始探索,量子计算能否加速机器学习。在此基础上,谷歌的AI量子团队诞生。2014年,团队迎来了重要人物:马丁尼斯带领他在加州大学圣塔芭芭拉分校的团队加入谷歌。两年后,塞尔吉奥·博伊克索(Sergio Boixo)发表了一篇文章后,团队开始聚焦量子霸权的计算任务。不过,团队此后的研究道路其实并不顺利。转折点出现在去年10月。当谷歌在圣塔芭芭拉的实验室因南加州大火关闭时,研究团队在被迫休假期间突然有了灵感,最终全新的思路转化成今天的成果。


皮查伊写道,这是一个期待已久的“Hello world”时刻:“今天的新闻,就像火箭第一次脱离地球引力、飞向太空时,人们会说,‘到了太空却什么都不做,这有什么意义?’但在科学层面,这却是重要的第一步,从此人们可以想象前往月球、火星,甚至是星际旅行。它向我们展示了什么是可能发生的。无论如何,这是全球量子计算领域的里程碑:一个充满可能性的时刻。”


在接受媒体采访时,皮查伊还举了另一个例子来说明成果的开创性意义:就像莱特兄弟发明飞机时的第一次试飞,尽管只有12秒,但它证明了人类飞行的可能性。



1万年还是2.5天?


但是,也有人并不认同谷歌的说法。就在本周一,谷歌在量子计算领域的直接竞争对手IBM也发表了一篇未经同行评议的预印本论文,而这篇文章的矛头直指谷歌宣称的“量子霸权”。论文指出,谷歌的论文中有明显的bug:他们低估了经典计算机的处理问题能力。IBM的科学家认为,Summit超级计算机完成这项任务所需的时间不是1万年,而是两天半。如此巨大的差异,是如何出现的?


IBM的论文指出,谷歌之所以得出1万年的结论,是因为他们只考虑了经典计算机的内存。在谷歌的论文中,超级计算机通过薛定谔算法模拟量子态。但问题来了,一旦量子比特数超过40,超级计算机的内存就不够用了。这时,研究者只能采用薛定谔-费曼混合算法,即将电路分为两部分、分别采用薛定谔算法,再通过类似于费曼路径积分的方法连接两个模块。通俗地说,这种方法用时间换取了空间:内存不足的问题解决了,但也消耗了大量时间。但是,谷歌团队忽略了计算机的硬盘。如果结合内存和硬盘的存储能力,那么计算机将不需要使用薛定谔-费曼混合算法。


再加上论文中超级计算机使用的算法可以进一步优化,综合考虑这些因素,Summit执行这项任务只需要两天半——这还只是最保守的估计。即使到了54个量子比特,Summit的用时也只不过是6天。


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因此IBM认为,尽管谷歌的量子芯片依然拥有速度优势,但相较于谷歌提出的10亿倍的差距,200秒与两天半的差距显然谈不上“霸权”。


IBM提出质疑的另一个原因是,他们认为“量子霸权”这个词的使用逐渐脱离了本意,而且对公众而言存在误导性:量子霸权只是在特定的问题上具有优势,而且,量子计算机并不是要真正“超越”传统计算机。相反,未来两者将共同协作,更加高效地解决问题。


对此,谷歌论文的通讯作者Martinis在电话发布会上给出了回应。他欢迎其他人使用超级计算机对实验结果进行验证:“我们期待有人在Summit上进行运算、检验相关数据,因为这是科学流程的一部分。只有经过测试,我们才能确定,IBM提出的算法能否奏效。”Martinis也坚称,即使如IBM所言,目前的超算可以在3天内解决这个问题,但谷歌量子芯片的优势依然可以称得上是“量子霸权”。


IBM的论文观点如何,还有待同行评议。但无论如何,谷歌的最新研究使得量子计算前进了一大步。正如皮查伊在采访中说的那样,希望人们不要过度纠结于量子霸权是否实现,而是更多地关注研究本身,以及领域的长期发展。


相关论文:

https://nature.com/articles/s41586-019-1666-5

https://arxiv.org/abs/1910.09534

参考链接:

https://www.ibm.com/blogs/research/2019/10/on-quantum-supremacy/

https://www.nature.com/articles/d41586-019-03213-z

https://www.blog.google/perspectives/sundar-pichai/what-our-quantum-computing-milestone-means/

https://www.newscientist.com/article/2221108-google-hits-back-at-ibms-quantum-supremacy-challenge/