芯潮(ID:aichip001)
文 | 心缘

世界第一超算Summit需要大约1万年来完成的计算,量子计算机需要多久?

谷歌研究人员给出答案,3分20秒。

据英国《金融时报》报道,谷歌研究人员在本周向美国国家航空航天局(NASA)提交的论文中写道,其实验标志着量子处理器上执行的首次计算。而这一堪称“恐怖”的计算速度,被研究人员称作是“量子霸权”的证明。

谷歌登顶量子霸权?3分20秒完成计算,世界第一超算要花1万年

如果实验经过业界认可,这将是计算领域的一大里程碑。

而本周早些时候,IBM宣布将在10月推出53量子比特的可商用量子计算机,向外部用户开放使用,并称这是迄今为止全球最强大的量子计算机,能让用户运行“更加复杂的纠缠和连接设备”。

这是否意味着,量子霸权时代已经离我们不远了?

谷歌登顶量子霸权?3分20秒完成计算,世界第一超算要花1万年

▲谷歌的量子计算系统

一、量子计算为什么强大?

所谓量子霸权,即指量子计算拥有秒杀所有传统计算机的计算能力。

为什么量子计算能强大到如此地步?这一烧掉全球无数科学家脑细胞的神秘黑科技,跳出来传统物理定律的限制。

传统计算机每比特非0即1,而在量子计算机中,量子比特可以以处于即是0又是1的量子叠加态,这使得量子计算机具备传统计算机无法想象的超级算力。

举个例子,如果x=0,运行A;如果x=1,运行B。

传统计算机永远只会一次执行一种逻辑分支,要么A,要么B,要么两种情况各运行一次。

但在量子计算机中,变量X是量子叠加态,既为1,又为0,因此它可以在一次计算中同时执行A和B。

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如果我们将量子比特的数量增加到10个,那么传统计算机需要计算2^10=1024次。量子计算机需要计算多少次呢?

还是1次。

我们再把量子比特数加到100个、1000个、10000个乃至更多,看出差距了吗?现有计算机要运行上万年的工作量,量子计算机只用几分钟就能搞定。

在量子计算机面前,复杂的宇宙模拟、航空航天、地震预测、天气预报、高能物理、化学模拟、药物研发、金融分析、加密通信等种种科学计算以及当下火热的AI应用所需的超强算力,都只是小菜一碟。

近年来,这一象征着国家科技实力巅峰的研究已经成为全球各国竞相发展的热点。

二、谷歌IBM英特尔均已布局,建造量子计算机难度大

“量子霸权”的深远意义,令无数科学家前仆后继地投入期研究之中。从世界顶级高校到谷歌、IBM、英特尔、D-Wave等IT公司都为这项事业砸下了大量的资源。

当前谷歌的新论文已提交至nasa。gov,但NASA公布后很快又尽管将其删除,谷歌发言人拒绝就论文及其结果的真实性予以回应,NASA也未予以置评。

据部分美媒报道,论文被撤或因其研究还未经同行评审彻底讨论,而评审过程需经数周或数月时间。

不算还未正式到来的IBM 53量子比特的量子计算机,现在市面上最大的商用量子设备大约是20量子比特。IBM、谷歌、IonQ等机构已经分别测试了50、72、160量子比特设备。

此前,谷歌曾于2018年3月推出其72量子比特的量子计算机芯片Bristlecone,当时称“对Bristlecone可以实现量子至上的态度持谨慎乐观的态度”。

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目前的量子计算主要有三种技术路径,分别是谷歌和 IBM 采用的通过超导系统实现量子计算、微软的拓扑量子计算、英特尔的超导量子计算和硅量子点同步研发。

但迄今为止,尚无机构真正开发出一款可通用于各种计算任务的量子计算机。已经推出机器们都面临这各种各样的局限性,规模尚小、容易出错,在应用上也往往被限制于某种特定领域。

建造量子计算机的每一步都非常艰难,就现在而言,量子计算机的物理基础问题还远未得到解决。

比如为了保证粒子具有尽可能小的热量,研究人员们通常需要将处理器保持在几乎绝对为零的温度,否则错误率可能会急剧上升。控制系统亦需经过非常精细的设计,来自外部环境的少量能量都可能造成量子态崩溃。

另外,和其他自然过程一样,量子计算过程中也存在噪声,量子比特内部的热量、量子力学过程中的随机波动等因素,都可能干扰量子比特的状态,最终对计算结构造成影响。

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▲IBM Q量子计算机内部

三、论文遭热议:看好潜力,拒绝神话

美国通信巨头AT&T最近也表示在研究量子网络或连接量子计算机的技术。

谷歌新论文的消息一经传出,麻省理工学院教授兼量子专家Will Oliver将其喻为美国“小鹰号”航空母舰在航空领域的首次飞行,相信它将进一步推动量子计算领域的研究。

英特尔量子硬件主管Jim Clarke同样看好谷歌这一进展,他认为商用量子计算机的实现离不开研发的进步,虽然目前还只是这场马拉松的第一英里,但他们坚信这项技术的潜力。

不过,并不是所有人都对谷歌这一新进展感到乐观。

比如有人质疑说,如果一台超级计算机要花一万年才能检验量子计算机所产生的答案,那你怎么确定量子计算机获得的答案就是对的呢?

由于目前尚不清楚谷歌的量子计算机究竟是在执行什么任务。IBM研究主管Dario Gil认为,一个可能是针对非常狭窄的量子采样问题设计的实验,并不意味着这些机器将占据主导地位。

他说:“实际上,量子计算机永远不会比传统计算机具有“至高无上”的地位,但由于它们各有千秋,它们将与它们协同工作。”对于许多问题,古典计算机将仍然是使用的最佳工具。

结语:量子霸权论将至,但真正落地还很遥远

如果谷歌的新量子计算机论文经过审议发表,这将是量子科学界非常值得庆贺的一件事。

不过,量子计算机距离严格意义的大规模商用还为时尚早,科学进步从来都是漫长的苦旅,要解决当前这些机器存在的易被破坏、不稳定等工程化问题。要造出易构建、易管理和扩展的商用机器,还需研究人员们持之以恒地探索。