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王孟源:谷歌量子計算機距離實用至少還有九個數(shù)量級
最后更新: 2019-10-29 12:47:34【文/觀察者網(wǎng)專欄作者 王孟源】
上個月,NASA大意提前泄露了Google的量子霸權論文,因為違反了Google公關部門的計劃,所以很快就撤下。其后,Google遵循典型的商業(yè)炒作方案,始終三緘其口,一直到2019年10月23日,論文正式在《Nature》發(fā)表,伴隨著各式各樣的公關吹噓,鋪天蓋地而來。
有趣的是,與其同時,IBM在官方博客公然唱反調,發(fā)表了一篇自己的論文稿,宣稱已經(jīng)證明Google并沒有達到量子霸權。那么到底誰是誰非呢?
首先,我們先回顧一下什么是“量子霸權”;它指的是量子計算器在某個有實用價值的程序上能比現(xiàn)有的古典計算機高效許多。請注意,一般人往往忘記這個定義中要求有實用價值的那部分,所以我一開始就疑心Google團隊鉆的是這個漏洞,而且已經(jīng)寫過一篇文章來推測其中的奧秘(參見前文《Google的量子霸權是怎么回事?》)。現(xiàn)在因為有了更詳細的消息,我可以更精確地解釋Google的這篇論文,希望讓理工科出身的讀者都能理解。
下面是Google所用的Sycamore(梧桐;名字純屬巧合,不要亂做聯(lián)想)量子處理器的示意圖;其中灰色的叉叉是個別量子位,藍色的長方塊是耦合器,共有88個,它們負責將兩個相鄰的位轉化為糾纏態(tài)。原本應該有54個量子位,但是其中一個失效無法修復(白色叉叉),所以整個實驗只能用上53個位;有效的耦合器也因而減少了兩個,剩下86個。
Google所做的程序是先從86個耦合器和53個位中隨機選出部分,被選中的會被開啟而發(fā)生作用,叫做閘門(Gate)。位的閘門(Single-Qubit Gate)作用是產(chǎn)生對應著隨機古典結果的量子態(tài);耦合器的閘門(Two-Qubit Gate)作用則是將相鄰的位糾纏起來。這些作用合起來,形成一個循環(huán)(Cycle);全部總共有20多個循環(huán)被事先隨機確定,它們一起組成一個線路(Circuit)。Google在實驗中所用的最復雜線路,包含了1113個單位元閘門和430個雙位閘門。
接下去是重復以下的這個程序圈子(Loop):首先把所有的位清零;接著讓事先選定的固定線路發(fā)生作用,制造出新的量子態(tài);然后全部位進行塌縮,以便形成古典的0或1讀出。所以結果是一個看似隨機的53位序列,但是內含量子糾纏,所以位之間并非真正的統(tǒng)計獨立,而是有由量子糾纏來決定的復雜相關性(Correlation)。
經(jīng)過小規(guī)模的試用之后,最終Google團隊用全部53個量子位跑這個程序圈子3千萬次,這一共費時200秒。Google估計最新的古典超級計算機也要耗時10000年,所以可以自夸“量子霸權”。
IBM出來潑冷水的研究,是采用了更高效的古典超級計算機設置,結果只用了兩天半,大約比Google團隊的估計快了八個數(shù)量級,所以并非沒有意義的。
IBM為美國能源部開發(fā)建造的“頂點”超級計算機
然而這個古典程序的運行時間(Runtime),可以在數(shù)學上證明是與2^n成正比,這里n是量子位的數(shù)目,亦即Google實驗中的53。所以即使在n=53的條件下古典計算機還可以一搏,到n=90左右的時候,也會重現(xiàn)量子霸權。這大概也就是三四年的研發(fā)時間。
IBM的算法(Algorithm)仍然是以蠻力(Brute Force)為主,如果未來發(fā)明了更巧妙的算法,可能會讓古典程序又再增速幾個數(shù)量級,不過這頂多是把門坎抬高到n=200。換句話說,最多最多也就是延遲Google的量子霸權十年左右罷了。
那么我們的結論是量子霸權在2030年之前必然會發(fā)生嗎?不是的,Google這篇論文的真正問題,不在這些細節(jié)上,而在于整體設計,也就是我在本文開頭所提的,程序的實用價值。
要比較兩個不同工程方案的優(yōu)劣,一個很重要的隱性前提是要達成同樣的、有實用價值的目標。Google的公關文稿,把他們的這個“成就”和100多年前萊特兄弟(Wright Brothers)的首次飛行相比,就是故意混肴視聽:萊特兄弟(Wright Brothers)的飛機是圍繞著一個歷史長久、公認有價值的目標(亦即動力飛行)而設計制造的成品;Google的Sycamore卻執(zhí)行了一個一點用處都沒有的程序。
真正類似的,是建造出一個復雜而沒有實用性的機器,然后說它在產(chǎn)生獨特的噪音上,有無可比擬的效率。換句話說,他們是先射箭、再畫靶,Sycamore自己隨便動一動,然后叫古典計算機來做仿真;如果這樣也算量子霸權,那么隨便找一個有53個原子的系統(tǒng),要求古典計算機來仿真它歷時200秒的演變,同樣也會需要萬年以上。
事實上,Google的這個結果,比毫無實用價值還要糟糕。要理解這一點,我們先回顧一下當前量子計算界的處境?,F(xiàn)在的世界紀錄是大約100個量子位(DWave的量子計算器是假的);但是這些位很不穩(wěn)定,非常容易與周圍的巨觀環(huán)境起作用而喪失量子態(tài),這是我以前詳細討論過的量子退相干過程(Quantum Decoherence)。要知道計算的輸出(Output)是程序邏輯的結果,而不是量子噪音的后果,就必須有糾錯機制。
目前人類所知的量子糾錯機制,必須用上80-10000個原始的量子位,才能產(chǎn)生1個穩(wěn)定可靠的位(叫做邏輯位,Logical Bit)。世界紀錄是連1個邏輯位都沒有的。
Google的這個“突破”,第一個巧妙之處在于用的是內生的(Endogenous)隨機量子態(tài),而不是事先指定的(亦即Exogenous,外源性的)串行。雖然Google團隊可以試圖去影響這些原始量子位之間的糾纏,實際上是否成功,并不能絕對精確地驗證。換句話說,他們根本沒有解決糾錯的基本難關,而只估計出Sycamore保持量子態(tài)的半衰期大約是10微秒,那么因為每一輪程序圈子費時不到7微秒(=200秒/30000000輪),大部分時候量子退相干還沒有發(fā)生。然后又再巧妙地只考慮統(tǒng)計結果,那么少部分的噪音就可以遮蓋住了。
這里最基本的毛病,在于Google的量子計算器并無法自行保證結果是正確的,事實上我們知道它不可能是絕對正確的,頂多只能是近似正確。相對的,古典計算機給出的結果卻是絕對精確可靠的。這時硬要比較兩者所費的時間,顯然不是公平的。
經(jīng)讀者指出,此圖來自孫昌璞院士等作者的論文
事實上,有丁點實用價值的量子計算,至少也必須達到上圖的藍色區(qū)域。目前量子計算被吹捧并獲得各國政府極度重視的真正原因,是能夠破解通信上的公開碼,那么就必須達到上圖中的紅色區(qū)域。Google的量子計算器雖然算是先進,但距離實用目標還有至少九個數(shù)量級之遙;現(xiàn)在就宣稱勝利,純屬忽悠大眾的商業(yè)宣傳。
本文系觀察者網(wǎng)獨家稿件,未經(jīng)授權,不得轉載。
標簽 谷歌 量子霸權 IBM-
本文僅代表作者個人觀點。
- 責任編輯: 陳辰 
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