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“量子霸权”的争议为什么这么大?

时间:2019-10-29 作者:约翰·普瑞斯基尔 阅读:
谷歌量子计算实验室最近发表的一篇论文宣布,该公司实现了“量子霸权”。每个人都在谈论此事,但这到底意味着什么?

谷歌量子计算实验室最近发表的一篇论文宣布,该公司实现了“量子霸权”。每个人都在谈论此事,但这到底意味着什么?

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谷歌CEO Sundar Pichai

2012年,我提出了“量子霸权”一词,用来描述量子计算机可以完成到而传统计算机完成不了的任务,不管这些任务是否有用。对于这一新术语,我想强调的是,在我们地球的历史上,这是一段特殊的时期,基于量子物理学原理的信息技术正在崛起。 “量子霸权”一词被证明存在争议,原因有两点:一是“霸权”与白人至上主义相联系,引发了令人反感的政治立场。另一点是这一词加剧了对量子技术现状的过度炒作。我预料到了第二点,但是没有预料到第一点。无论如何,这个术语流行起来了,而且被谷歌AI量子团队热情地接受。

我曾经考虑过其它几种表达方式,但是都被自己否定了,因为“量子霸权”最能够抓住我想要传达的观点。另一种替代表达是“量子优势”,现在也被广泛使用。但对我而言,“优势”缺乏“霸权”的冲击力。在比赛中,如果一匹马以微弱的优势获胜,证明这匹马有“优势”,而相比之下,在某些任务中,量子计算机的计算速度远远超过了传统计算机,至少原理上是这样。

最近谷歌发表的这篇论文就说明了这一点。他们使用了53量子比特的设备,并给出报告,完成量子计算只需几分钟,而这些计算在现今最强大的超级计算机内执行需要几千年的时间。假设这些是真的,那这将是试验物理学中的一项非凡成就,也是量子计算机硬件飞速发展的证明。我向(谷歌的)所有相关人员表示衷心的祝贺。

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谷歌的54 个量子比特组成的处理器 ,名为 Sycamore 处理器

正如谷歌团队所承认的那样,他们的设备以惊人的速度解决的问题是经过精心挑选的,目的只是为了展示量子计算机的优越性。简单来说,量子计算机执行一个随机选择的指令序列,然后测量所有的量子比特以产生一个输出位串(bit string)。这种量子计算几乎没有结构,这使得传统计算机难以跟上,但也意味着结果信息不全面。

然而,(谷歌的)验证仍然意义重大。通过检查他们的量子计算机的输出是否与传统的超级计算机的输出一致(在不需要花费数千年时间的情况下),该团队证明了他们掌握了他们的设备(性能),并且设备也展示出应有的性能水平。既然我们知道硬件可以有效工作,我们就可以开始进行更多有意义的应用。

为什么验证硬件的性能如此重要?因为精确控制量子计算机是出了名的困难。从某种意义上讲,仅仅观察一个量子系统就不可避免地会干扰它,这是海森堡著名的测不准原理的一种表现。因此,如果我们想要利用这样的系统来储存和可靠地处理信息,我们需要保持该系统与外部世界几乎完全隔离。与此同时,我们希望量子比特能够相互作用,这样我们就可以处理信息。我们还需要从外部控制系统,并最终测量量子比特,获得我们的计算结果。要建立一个满足所有这些需求的量子系统是相当具有挑战性的,在材料、制造、设计和控制方面取得了多年的进展,才有了今天的成就。

谷歌所实现的“量子霸权”里程碑是探索实用量子计算机的关键一步,我觉得用一个词来形容正在到来的时代是很有用的,所以最近我编造了一个词:NISQ,表示“嘈杂中型量子(Noisy Intermediate-Scale Quantum)”。这里“中等规模(Intermediate-Scale)”指的是现在可以获得的量子计算机的尺寸大小:可能大到足以执行某些高度专业化的任务,超出了当今超级计算机的能力范围。“噪声(Noisy)”强调我们对量子比特的控制还不是非常完美,这导致小的误差随着时间积累,如果我们计算时间太长,就得不到正确答案。 谷歌团队显然已经证明,现在有可能构建一个足够大、足够精确的量子机器来解决我们以前无法解决的问题,这预示着NISQ时代的到来。

我们将去往何方?显然,谷歌和其他硬件制造商希望为他们的量子设备找到实际应用。一个更大的量子计算机可以帮助研究人员设计新的材料和化合物,或者为机器学习提供更好的工具,但是一个具有几百个量子比特的噪声量子计算机(noisy quantum computer)可能没有能力做任何有用的事情。尽管如此,对于如何使用我们所渴望尝试的NISQ计算机,我们仍有一些想法,从这些想法中可能诞生更好的优化方法或更精确的物理模拟,但我们不确定这些想法是否能够实现。使用NISQ技术来了解它的更多功能将会很有趣,我预计量子计算机将对社会产生变革性的影响,但这可能还需要几十年的时间。

在2012年那篇介绍“量子霸权”一词的文章中,我想知道“控制大型量子系统(large-scale quantum systems)仅仅是真的很难,还是困难得难以形容?,在前一种情况下,经过几十年的艰苦努力,我们可能成功地制造出大型量子计算机(large-scale quantum computers)。如果是后一种情况,我们可能几个世纪都不会成功”。谷歌团队最近取得的成就增强了我们的信心,即量子计算仅仅是非常困难。如果这些成就是真的,那大量的量子技术可能在未来的几十年蓬勃发展。

(译自《Quanta Magazine》杂志,作者:约翰·普瑞斯基尔 美国物理学家,“量子霸权”概念提出者;原文标题:Why I Called It ‘Quantum Supremacy;翻译/程小康,科工力量;责编:Demi Xia)

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