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谷歌論文發布，​稱實現“量子霸權”！計算200秒相當於最強超算1萬年

文 / 秋名山嫩司機來源：FX168財經網

2019 年 10 月 23 日，Nature 正式刊登了 Google 論文——《使用可編程超導處理器的量子優勢》，該論文宣稱其量子計算器已經實現了“量子霸權”（quantum supremacy）。

200秒=超算1萬年

Quantum Supremacy，中文翻譯為“量子霸權”，這一概念是2012年，美國理論物理學家約翰·普瑞斯基爾（John Preskill）提出。

 

這里的“霸權”並非我們平時理解的“霸權主義”，量子霸權是一個專有名詞，意思是在處理同一個問題時，量子計算擁有了超越所有古典（非量子）計算機的能力，實現量子計算機特有優勢。

 

在物理實驗領域，由於迄今沒有任何一台量子裝置在實際的測試中驗證這一能力，因此，誰能證明這種能力，就代表了實現“量子霸權”。而實現量子霸權，將代表量子計算機從理論走進現實，標誌着一個新的計算能力飛躍時代的開始。 

 

谷歌 Sycamore 量子芯片（圖源：谷歌）

 

 
谷歌在論文中表示，自己已經開發出了一款54量子比特數的量子芯片，名為Sycamore，由鋁、銦、矽晶片和超導體（約瑟夫森結）等材料組成，每個量子比特和臨近的4個量子比特耦合。

 

該處理器使用鋁制造，並使用銦制造兩個矽晶片之間的凸點。芯片被引線連接到超導電路板上，並在稀釋制冷裝置中被冷卻至20mK以下。

 

這一溫度只比絕對零度高百分之二度，之所以要如此冷，是為了將環境熱能降低到大大低於量子勢能，實現量子比特在超導電路上運算，並且防止外界熱量對量子處理器的幹擾。

 

根據谷歌論文，運算過程中有 1 個量子比特無法正常工作，實際執行運算的只有 53 個量子比特和 86 個耦合器 。

 

Sycamore 量子芯片內部結構（圖源：谷歌論文）

 

 
谷歌在《自然》的論文中表示，通過一系列實驗和計算，谷歌研究人員開發了一套高保真度的糾錯流程，進而對芯片展開測試。

 

最終得出結論，同樣是對一個量子電路產生的隨機數字采樣 100 萬次， Sycamore 芯片支持的量子計算機只需要 200 秒，同時維持很低的誤差率，而世界最強超算 Summit 需要 1萬年。

 

按照 John Preskill 提出的“量子霸權”的定義，谷歌的實驗結果則標誌着量子計算機在解決一個隨機采樣任務上超越了經典計算機，甚至意味着只能在量子處理器上執行的計算任務誕生。

 

這也是為什麼谷歌論文中提到了自己“在這一特定計算任務上實現了量子霸權”，甚至樂觀地表示量子處理器的計算能力或將遵從“量子摩爾定律”，計算性能每幾年就翻一倍，也許離有價值的實際應用只差一個創造性的算法了。

 

什麼是量子計算機？

不過，面對谷歌聲稱“實現量子霸權”的結論，產業界和量子物理學界迅速分成了質疑派和樂觀派。

 

以 IBM 為首的質疑派認為，雖然這是一個里程碑，但谷歌的實驗有缺陷，執行同樣的計算實驗，Summit完成谷歌聲稱的計算只需要2天半，遠遠沒有谷歌所說的 1 萬年那麼誇張。

 

Summit超級計算機（圖源：IBM）

 

 
盡管IBM想要淡化谷歌的成就，不過科學研究界人士對此表示歡迎，《紐約時報》稱科學家將此成果與萊特兄弟1903年的首次飛機飛行相提並論。

 

因為，不管是 1 萬年還是 2.5 天，量子計算機的速度都是遠超經典計算機，而這背後關鍵原因是量子並行計算。

 

經典計算機的信息單位是比特，一般用 “0” 和 “1” 來表示。一個比特，要麼是“0”，要麼是“1”。量子計算機的信息單位是“量子比特”，由於量子具有疊加態的特性，因此量子比特可以同時處於“0”和“1”的狀態。

 

有人做過一個比喻：經典比特是 “開關”，只有開和關兩個狀態（0 和 1），而量子比特是 “旋鈕”，就像收音機上調頻的旋鈕那樣，有無窮多個狀態。經典計算機通過操縱經典比特進行運算，而量子計算機是操縱量子比特，本質上就是去旋轉它們。

 

（圖源：本源量子）

 

 
由於這種疊加的特性，讓量子計算機可以具備了強大的並行計算能力。在設計量子計算機時，通常會利用量子糾纏的特性，讓一個粒子和其他粒子糾纏，進一步提升並行計算能力。

 

簡言之，利用量子力學可使計算能力指數級增長，運用上文中53個量子比特的芯片，能實現每次2的53次方也就是9千萬億次的計算量。想要實現同樣的算力，經典計算機需要9千萬億個經典比特（也就是晶體管）。

 

所以，經典計算機算力增長只能通過不斷增加晶體管數量實現。為此，要將晶體管做得越來越小，從二戰時期第一代計算機的真空三極管，到如今的集成電路，從2003年90nm的晶體管制程做到現在的7nm。

 

 
▲運用7nm制程擁有103億晶體管的麒麟990芯片（圖源：華為發布會） 

 

比如，上文提到的世界最強超算 Summit ，每秒能計算200千萬億次，就是通過不斷堆疊芯片數量的方式達成。據悉 Summit 共有27648塊Tesla V100計算卡以及9216顆IBM Power CPU。

 

Summit 占地面積相當於兩個網球場大小，為了冷卻處理器，周圍的循環系統每分鍾要消耗4000加侖的水。相比之下，擁有遠超其性能的谷歌量子芯片，大小只有20毫米，整個量子計算機也僅僅幾平米大小。

 

谷歌的量子計算機（圖源：谷歌）

 

 

量子計算機的未來

截至目前，谷歌已經在量子計算的項目上持續攻堅了13 年。

 

在公布論文前，谷歌已經憑借着龐大的量子計算機規模在競爭中處於領先地位。2018年，谷歌展示了73量子比特計算機，該計算器明顯強於位列第二的競爭對手IBM在今年9月18日公布的53量子比特研究成果。

 

 
▲2019CES展會IBM發布全球首個獨立商用量子計算機IBM Q（圖源：IMB） 

 

谷歌、IBM等公司啟動量子計算機的研究，是因為傳統計算機基於半導體微細加工的性能提高開始面臨極限。隨着大數據、AI技術問世，運算能力不足而未能解決的難題越來越多，業界需要能處理龐大數據的計算機。 

 

例如緩解城市地區的交通擁堵。現在，無數的車輛按各自的情況行駛，引發交通擁堵。短時間計算每輛車的行駛路線較為困難。如果使用量子計算機、向每輛車提出“不會引發交通擁堵的最佳路線”，有助於緩解擁堵。

 

再比如，新藥、新材料的研究，這些對普通生活和工業界產生巨大影響的領域，將會第一步去使用量子計算機。到那個時候人們可能在很短的時間內，就能計算出關於新藥、新材料的一些新的特性。

 

圖源：日經中文網

 

 
不過，革新性技術有時會成為威脅。量子計算機的應用存在令網絡社會從根本上動搖的風險。

 

最典型的應用就是加密破解。比如比特幣的安全性依靠一個叫私鑰的東西，由256位二進制隨機碼組成，即使是最新的超算，也需要數萬年才能破解，因此加密被視為“安全”。

 

但如果我們有一個“256量子比特”的量子計算機，那麼這個時間可以縮為幾分鍾。比特幣的密碼都如此簡單，破解我們日常生活中社交賬號、銀行賬號、遊戲賬號的密碼就更加輕松了。

 

所以當量子計算機的計算能力，達到這樣的一個量級的時候。那麼，首先受到衝擊的，就是世界的安全體系。數學家們現在正在加緊研究新的量子密碼加密體系。

 

 
在計算機的曆史上，時隔約70年開始出現革新的趨勢。雖然真正的量子計算機的實用化仍有很多課題，但現在包括美國英特爾、中國阿里巴巴在內的科技巨頭都加緊開發。

 

IBM的大型機上市是在1964年。傳統計算機在那之前存在約20年的黎明期。日本IBM的執行董事森本典繁指出，“量子計算機也處於這種階段”。
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