10月28日消息，據(jù)外媒報(bào)道，谷歌不久前宣稱成功實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”(Quantum Supremacy)，推出包含53個(gè)有效量子比特的處理器Sycamore，“對(duì)一個(gè)量子電路產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)字采樣100萬次”的計(jì)算任務(wù)，谷歌量子計(jì)算機(jī)只需要200秒，而世界最強(qiáng)超算Summit需要1萬年。為了證明谷歌量子計(jì)算機(jī)到底有多神奇，科技記者尼爾·薩維奇(Neil Savage)日前親自操作體驗(yàn)了一把，并稱就像變魔術(shù)。
記者親身感受：量子計(jì)算機(jī)哪里不同
在谷歌位于美國加州戈萊塔(Goleta)類似車庫的實(shí)驗(yàn)室里，我站在巨大的觸摸屏前，用手指在顯示屏上移動(dòng)包含X、Y、H和其他神秘符號(hào)的小方塊。這些方塊代表的是可以在一個(gè)量子比特上執(zhí)行的函數(shù)，而量子比特則位于附近的銀色大圓柱體內(nèi)。在無數(shù)函數(shù)中，有些會(huì)使比特從1翻轉(zhuǎn)到0，或從0翻轉(zhuǎn)到1。
顯示屏上的另一個(gè)正方形顯示了量子比特的狀態(tài)，它看起來像是在球體內(nèi)的棒棒糖。當(dāng)“棒棒糖”移動(dòng)時(shí)，它旁邊的數(shù)字在1.0000到0.0000之間振蕩。這是量子比特的強(qiáng)項(xiàng)之一：它們不必像二進(jìn)制位中那樣要么是1要么是0，而是可以在介于兩者之間的狀態(tài)存在。這種“疊加”特性允許每個(gè)量子比特一次不止執(zhí)行一次計(jì)算，而是以一種看起來特別神奇的方式加速計(jì)算。
盡管量子比特的最終讀數(shù)依然是1或0，但所有這些中間步驟的存在意味著傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)很難或不可能進(jìn)行類似的計(jì)算。對(duì)于外行人來說，這個(gè)過程可能看起來有點(diǎn)兒像魔術(shù)，揮揮手、輕觸觸摸屏，然后從量子帽中拉出一只兔子。谷歌邀請(qǐng)我和其他記者來到這里，旨在揭開這個(gè)魔術(shù)的神秘面紗，以證明它根本不具有魔力。
在屏幕的右半部分，曲折的線條顯示與在量子比特上執(zhí)行的函數(shù)相對(duì)應(yīng)的波形。在這個(gè)部分的旁邊是個(gè)臺(tái)式打印機(jī)大小的盒子，它將這些波形作為電脈沖通過電線發(fā)送到銀色圓柱體中。如果圓柱體打開，你會(huì)看到里面有六層腔室，層層排列，就像用金屬絲裝飾的、顛倒過來的婚禮蛋糕。每層腔室都被冷卻到比其上面腔室溫度低得多的程度;最下面一層達(dá)到0.015開氏度(-273.135攝氏度)，幾乎僅是外層空間的1/200。
這些腔室都是真空的，不受光和熱的影響，否則會(huì)破壞微妙的量子比特，這些量子比特位于所有導(dǎo)線末端的芯片上，在黑暗和寒冷中被隔離。每個(gè)量子比特的直徑約為0.2毫米，通過普通顯微鏡可以看到。但是經(jīng)過冷凍和避過外部影響后，每個(gè)量子比特都變成了超導(dǎo)體，讓電子自由流動(dòng)，就好像它成了單原子，可以用量子力學(xué)定律決定其行為。
強(qiáng)度適當(dāng)?shù)奈⒉}沖促使量子比特振動(dòng)。當(dāng)兩個(gè)相鄰的量子比特達(dá)到相同的共振頻率時(shí)，它們就會(huì)相互糾纏，這是另一種量子力學(xué)屬性，這意味著測(cè)量一個(gè)量子比特的狀態(tài)也會(huì)讓你了解另一個(gè)量子比特的狀態(tài)。不同頻率的電磁脈沖會(huì)引起量子比特翻轉(zhuǎn)。
各方評(píng)論：“量子霸權(quán)”有意義嗎？
谷歌的量子軟件工程師克雷格·吉德尼(Craig Gidney)表示，“量子計(jì)算機(jī)更像是裝有一串鐘擺的盒子。我和其他在腔室外發(fā)送信號(hào)的人正在拉動(dòng)鐘擺的弦，通過改變它們的擺動(dòng)幅度來執(zhí)行不同的邏輯運(yùn)算。”
谷歌的量子團(tuán)隊(duì)稱，所有這些寒冷和振動(dòng)讓其獲得了量子霸權(quán)，讓量子計(jì)算機(jī)可以做普通計(jì)算機(jī)無法做到的事情。在本周發(fā)表在《自然》雜志上的論文中，谷歌工程師描述了他們用來證明量子霸權(quán)的基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)。他們的程序運(yùn)行在50多個(gè)量子比特上，檢查量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的輸出。
谷歌量子人工智能實(shí)驗(yàn)室經(jīng)理哈特穆特·奈文(Hartmut Neven)說，有些批評(píng)人士抱怨這是個(gè)人為問題，只適用于有限的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用程序。對(duì)此，奈文反駁稱：“Sputnik(人類第一顆人造衛(wèi)星)也沒有太多實(shí)際用途，它只是繞著地球旋轉(zhuǎn)。然而，它代表著太空時(shí)代的開始!”
芝加哥大學(xué)專注于量子信息工程的凝聚態(tài)物理學(xué)家戴維·奧沙洛姆(David Awschalom)沒有參與這項(xiàng)研究，但他同意谷歌項(xiàng)目解決了一個(gè)非常特殊的問題，并補(bǔ)充說，谷歌不能聲稱自己擁有了通用量子計(jì)算機(jī)。他說，通用量子計(jì)算機(jī)可能需要100萬個(gè)量子位元，而且還需要很多年才能實(shí)現(xiàn)。但他相信，谷歌的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了重要的里程碑，為其他科學(xué)家取得突破奠定了基礎(chǔ)。
谷歌的量子計(jì)算芯片被稱為Sycamore，使用了53個(gè)量子比特來實(shí)現(xiàn)其結(jié)果，芯片上第54個(gè)量子比特出現(xiàn)了故障。Sycamore的目標(biāo)是隨機(jī)產(chǎn)生1和0的字符串，每個(gè)量子比特可產(chǎn)生253比特字符串(也就是大約9.700199254740992千萬億位字符串)。由于量子位相互作用的方式，有些字符串比其他字符串更有可能出現(xiàn)。
Sycamore運(yùn)行數(shù)字生成器100萬次，然后對(duì)結(jié)果進(jìn)行采樣，得出任何給定字符串出現(xiàn)的概率。谷歌團(tuán)隊(duì)還在橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的超級(jí)計(jì)算機(jī)Summit上運(yùn)行了一個(gè)更簡單的測(cè)試版本，然后根據(jù)這些結(jié)果進(jìn)行外推，以驗(yàn)證Sycamore的輸出。新的芯片在200秒內(nèi)完成了任務(wù)。研究人員估計(jì)，同樣的運(yùn)算需要花費(fèi)Summit上萬年的時(shí)間。
然而，IBM的研究人員上周早些時(shí)候發(fā)表論文，稱在理想條件下，使用額外的內(nèi)存存儲(chǔ)，Summit可以在兩天半內(nèi)完成上述任務(wù)。IBM也在致力于開發(fā)量子計(jì)算，該公司科學(xué)家們?cè)贗BM Research博客上寫道：“因?yàn)榧又堇砉W(xué)院理論物理學(xué)家約翰·普雷斯基爾(John Preskill)在2012年提出的‘量子霸權(quán)’這個(gè)術(shù)語的最初含義，是為了描述量子計(jì)算機(jī)可以做經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法做到的事情，顯然谷歌量子計(jì)算機(jī)還沒有邁過這個(gè)門檻。”因此，也許谷歌取得的成就可以貼上“量子優(yōu)勢(shì)”的標(biāo)簽。
但德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校理論計(jì)算機(jī)科學(xué)家斯科特·阿隆森(Scott Aaronson)表示，說量子霸權(quán)尚未實(shí)現(xiàn)并不完全正確，畢竟Sycamore的速度比Summit快得多。隨著谷歌系統(tǒng)中量子比特?cái)?shù)量的增長，其計(jì)算能力將呈指數(shù)級(jí)增長。從53個(gè)量子比特增加到60個(gè)量子比特將使該公司量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力相當(dāng)于33臺(tái)Summit。在達(dá)到70個(gè)量子比特時(shí)，類似Summit的傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)可能要變得與城市大小相當(dāng)才能擁有同樣的處理能力。
阿隆森還表示，谷歌所取得的成就可能已經(jīng)有了些意想不到的實(shí)用價(jià)值。谷歌的系統(tǒng)可以用來產(chǎn)生被量子物理定律證實(shí)為隨機(jī)的數(shù)字。例如，該應(yīng)用程序可能會(huì)產(chǎn)生比人類或傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)所能提供的密碼強(qiáng)得多的密碼。
阿隆森承認(rèn)：“我現(xiàn)在不確定，爭論它是不是取得了‘霸權(quán)’是否正確。”他說，量子計(jì)算領(lǐng)域尚未就比較不同量子計(jì)算機(jī)的最佳方式達(dá)成一致，特別是那些建立在不同技術(shù)上的量子計(jì)算機(jī)。盡管IBM和谷歌都在使用超導(dǎo)體來創(chuàng)建它們的量子比特，但另一種方法依賴于捕獲離子，即帶電原子懸浮在真空中，并由激光束操縱。IBM提出了一種稱為“量子體積”的度量標(biāo)準(zhǔn)，其中包括諸如量子比特執(zhí)行計(jì)算的速度以及它們避免或糾正錯(cuò)誤的能力等因素。
谷歌還要解決哪些問題？
事實(shí)上，糾錯(cuò)是量子計(jì)算機(jī)科學(xué)家必須掌握的，這樣他們才能制造出真正有用的設(shè)備，特別是包含數(shù)千個(gè)量子比特的設(shè)備。研究人員說，到那時(shí)，機(jī)器可以對(duì)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的模擬，這可能會(huì)促使新的藥物或更好的太陽能電池出現(xiàn)。而且他們還可以快速破解最常用于保護(hù)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的密碼。
不過，要想達(dá)到這種性能，量子計(jì)算機(jī)必須能夠自我糾正，找到并修復(fù)其操作中的錯(cuò)誤。當(dāng)一個(gè)量子比特自發(fā)地從1翻轉(zhuǎn)到0，或者當(dāng)它的量子疊加由于外部世界的干擾而衰減時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。谷歌的量子比特目前在衰變前持續(xù)約10微秒。項(xiàng)目研究人員瑪麗莎·朱斯蒂娜(Marissa Giustina)說：“它們的壽命是有限的。它們非常脆弱，當(dāng)與周圍環(huán)境相互作用時(shí)，我們可能就會(huì)失去量子信息。”
傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)通過冗余來解決糾錯(cuò)問題，通過測(cè)量電容器中的單個(gè)電子而不是數(shù)萬個(gè)電子來決定數(shù)字位是開還是關(guān)。相反，量子比特本質(zhì)上是概率問題，所以試圖將它們聚集在一起執(zhí)行批量測(cè)量是行不通的。谷歌正在開發(fā)一種統(tǒng)計(jì)方法來糾正錯(cuò)誤，加州大學(xué)圣巴巴拉分校物理學(xué)家約翰·馬蒂尼斯(John Martinis)與該公司合作開發(fā)了Sycamore。他表示，到目前為止，初步結(jié)果顯示，沒有任何跡象表明錯(cuò)誤糾正變得越來越好。看起來，這個(gè)項(xiàng)目還會(huì)繼續(xù)下去。
與此同時(shí)，谷歌的工程師將致力于改進(jìn)他們的量子比特，以產(chǎn)生更少的錯(cuò)誤，這也可能允許更多的量子比特相互關(guān)聯(lián)。他們還希望縮小鏈子計(jì)算機(jī)的控制箱體積，每個(gè)控制箱可以處理20個(gè)量子比特及其相關(guān)電路，因此需要三個(gè)控制箱才能運(yùn)行Sycamore的53個(gè)量子比特。如果他們的系統(tǒng)增長到大約1000個(gè)量子比特，其冷卻需求將超過那些巨大銀色圓柱體的容量。
在谷歌從事量子硬件和架構(gòu)工作的朱利安·凱利(Julian Kelly)表示，該公司的聲明首先是一項(xiàng)工程成就，但它可能會(huì)開辟一片未開發(fā)的領(lǐng)域。他說：“我們已經(jīng)證明了量子硬件可以做些極其困難的事情，我們正在以前沒有人能夠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的領(lǐng)域開展業(yè)務(wù)。不過，這種進(jìn)步產(chǎn)生的影響還不確定，畢竟我們也才剛剛邁入這道門檻兒。”
