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　　文/李澤南、張倩

　　來源：機(jī)器之心（ID:almosthuman2014）

　　這或許是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的一個(gè)里程碑事件：谷歌宣稱「量子霸權(quán)」已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，他們首次在實(shí)驗(yàn)中證明了量子計(jì)算機(jī)對(duì)于傳統(tǒng)架構(gòu)計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性：在世界第一超算 Summit 需要計(jì)算 1 萬(wàn)年的實(shí)驗(yàn)中，谷歌的量子計(jì)算機(jī)只用了 3 分 20 秒。

　　在最近提交的一份論文中，研究人員提出了這一主張，它也是迄今為止表明量子計(jì)算機(jī)超越傳統(tǒng)架構(gòu)計(jì)算機(jī)，并走向?qū)嵱没顬閺?qiáng)烈的跡象。在未來，我們或許可以使用這種全新工具解決此前無(wú)法解決的數(shù)學(xué)問題。

　　量子霸權(quán)是指量子計(jì)算擁有的超越所有傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。谷歌的研究人員聲稱已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)，這意味著最新的量子計(jì)算機(jī)能力已經(jīng)達(dá)到了目前最為強(qiáng)大的超算也無(wú)法企及的程度——它可以在 3 分 20 秒內(nèi)完成特定任務(wù)的運(yùn)算，而目前世界排名第一的超級(jí)計(jì)算機(jī)、美國(guó)能源部橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的「Summit」執(zhí)行同樣任務(wù)需要大約一萬(wàn)年時(shí)間。

　　「相對(duì)于所有已知的經(jīng)典算法而言，這種驚人的速度證明了計(jì)算任務(wù)上量子霸權(quán)的實(shí)現(xiàn)，預(yù)示著人們期待已久的計(jì)算范式的到來?！寡芯咳藛T在論文中寫到。

谷歌的「Foxtail」量子處理器。

　　這一消息最先被英國(guó)《金融時(shí)報(bào)》報(bào)道，谷歌研究的論文于本周提交至 nasa.gov，但隨后被刪除。谷歌發(fā)言人拒絕證實(shí)該論文及其結(jié)果的真實(shí)性，而 NASA 沒有立即回應(yīng)置評(píng)請(qǐng)求。

　　這一消息立即引來了許多媒體的報(bào)道，據(jù)美國(guó)《財(cái)富》雜志援引谷歌消息人士稱，論文被撤回是因?yàn)槠溲芯窟€沒有經(jīng)過同行評(píng)審徹底討論之前被 NASA 提前發(fā)表了。通常，評(píng)審過程需要數(shù)周或者數(shù)月時(shí)間。

　　如果論文通過審議并順利發(fā)表，它將預(yù)示著量子科學(xué)進(jìn)入了一個(gè)全新階段，因?yàn)槠渲饕鲝埓蛳艘恍┎豢深A(yù)見的自然法則，可能會(huì)阻止量子計(jì)算機(jī)順利運(yùn)行的疑慮。

　　量子計(jì)算的發(fā)展速度：摩爾定律的指數(shù)級(jí)

　　谷歌研究人員在論文中寫到：「在現(xiàn)實(shí)世界的系統(tǒng)中，我們可以實(shí)現(xiàn)量子加速，它并不受任何未知物理定律的限制?！?/p>

　　此外，在研究中人們還預(yù)測(cè)量子計(jì)算機(jī)的算力將會(huì)以「雙指數(shù)速率增長(zhǎng)」，這意味著它的增長(zhǎng)速度大大超過了摩爾定律，后者是指數(shù)形式的，認(rèn)為傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的芯片算力每 18 個(gè)月性能翻倍。

　　雙指數(shù)增長(zhǎng)遠(yuǎn)比指數(shù)增長(zhǎng)更加快速——數(shù)量級(jí)不是按 2 的冪增長(zhǎng)，而是按 2 的冪的冪增長(zhǎng)，也就是：

　　這種增長(zhǎng)方式有些難以理解，以至于在現(xiàn)實(shí)中很難找到這樣的案例。量子計(jì)算的發(fā)展速度可能是第一個(gè)。

　　今年 6 月，《Quanta Magazine》曾報(bào)道了谷歌在量子計(jì)算方面的近期研究。2018 年 12 月，Google AI 的科學(xué)家想要對(duì)谷歌最好的量子處理器上進(jìn)行的計(jì)算進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，只需使用普通筆記本電腦即可。到了今年 1 月，他們?cè)诟倪M(jìn)版的量子芯片上進(jìn)行相同的測(cè)試就不得不使用功能強(qiáng)大的臺(tái)式計(jì)算機(jī)來模擬結(jié)果。而到了 2 月，大樓中不再有任何經(jīng)典計(jì)算機(jī)可以對(duì)量子計(jì)算機(jī)的研究進(jìn)行模擬了。研究人員必須在谷歌龐大的服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)上請(qǐng)求算力才能完成。

　　這種算力爆炸的定律被稱為 Neven 定律，谷歌量子人工智能實(shí)驗(yàn)室（Quantum Artificial Intelligence lab）主任 Hartmut Neven 在今年 5 月的谷歌量子春季研討會(huì)上首次提出了這一概念，他也表示量子霸權(quán)會(huì)在 2019 年內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

　　谷歌量子人工智能實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人 Hartmut Neven 認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)的能力正在以前所未有的速度增長(zhǎng)。

　　Neven 認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)以雙指數(shù)增長(zhǎng)超越計(jì)算機(jī)的過程是兩個(gè)指數(shù)因子相互組合的結(jié)果。第一，量子計(jì)算機(jī)比經(jīng)典計(jì)算機(jī)具有先天的指數(shù)優(yōu)勢(shì)。如果一個(gè)量子電路有 4 個(gè)量子比特，那么一個(gè) 16 比特的經(jīng)典電路才能與其計(jì)算能力等效。第二個(gè)指數(shù)因子源于量子處理器的快速演進(jìn)。

　　第一個(gè)只能在量子計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的計(jì)算實(shí)驗(yàn)

　　為了證明量子計(jì)算機(jī)獨(dú)有的能力，谷歌的研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，即通過一個(gè)涉及量子現(xiàn)象的特殊場(chǎng)景對(duì)隨機(jī)產(chǎn)生的數(shù)字進(jìn)行采樣。該任務(wù)的目的是證明隨機(jī)數(shù)生成器確實(shí)是隨機(jī)的。

　　早在 2018 年，谷歌就推出過一個(gè) 72 量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)——Bristlecone。為了進(jìn)行此次實(shí)驗(yàn)，谷歌對(duì)該計(jì)算機(jī)進(jìn)行了改造。此次實(shí)驗(yàn)用到的量子計(jì)算機(jī)名為「Sycamore」，包含 53 個(gè)量子比特。

　　研究人員表示，他們確定自己的量子計(jì)算機(jī)在該任務(wù)中擊敗了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，包括計(jì)算某些專門電路的輸出?！府?dāng)前最先進(jìn)的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)對(duì)量子電路中的一個(gè)實(shí)例采樣 100 萬(wàn)次需要 1 萬(wàn)年，但我們的量子計(jì)算機(jī)只需要 200 秒，」研究人員表示。

　　研究人員還寫道，「據(jù)我們所知，這是目前第一個(gè)只能在量子計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的計(jì)算實(shí)驗(yàn)?！?/p>

　　對(duì)于大多數(shù)人來說，我們已習(xí)慣了基于硅處理器、使用晶體管進(jìn)行計(jì)算的二進(jìn)制計(jì)算機(jī)，其「1」和「0」兩種狀態(tài)完全可以預(yù)測(cè)。然而，量子計(jì)算機(jī)完全改變了這一游戲規(guī)則。

　　量子計(jì)算機(jī)的主要構(gòu)件模塊是量子比特（qubit），任何量子性質(zhì)，例如電子能級(jí)、自旋或光子的量子態(tài)等都可以用來表征量子比特，只要系統(tǒng)可以將其隔離并控制它們。一個(gè)量子比特只有兩個(gè)狀態(tài)，而 n 個(gè)量子比特最多可以表示 2 的 n 次方個(gè)狀態(tài)。

　　量子計(jì)算結(jié)合了過去半個(gè)世紀(jì)以來兩個(gè)最大的技術(shù)變革：信息技術(shù)和量子力學(xué)。如果我們使用量子力學(xué)的規(guī)則替換二進(jìn)制邏輯來計(jì)算，某些難以攻克的計(jì)算任務(wù)將得到解決。

　　追求通用量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要目標(biāo)是確定當(dāng)前經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法承載的最小復(fù)雜度的計(jì)算任務(wù)。該交叉點(diǎn)被稱為「量子霸權(quán)」邊界，是在通向更強(qiáng)大和有用的計(jì)算技術(shù)的關(guān)鍵一步。

　　專家提醒：不要期望過高，以免泡沫破裂

　　業(yè)界希望谷歌、IBM、英特爾等大公司以及 Rigetti Computing 等初創(chuàng)公司開發(fā)的量子計(jì)算機(jī)能夠在未來數(shù)年實(shí)現(xiàn)技術(shù)和科學(xué)方面的突破性進(jìn)展。它們將變革藥物研發(fā)、物流、制造、金融、能源甚至人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等多個(gè)領(lǐng)域。

　　盡管谷歌取得的結(jié)果非常激動(dòng)人心，但其他研究者提醒道，不要過分炒作這一結(jié)果，以防期望過高、泡沫破裂。

谷歌正在開發(fā)的量子計(jì)算系統(tǒng)。

　　IBM 研究主管 Dario Gil 反對(duì)將「量子霸權(quán)」的實(shí)現(xiàn)作為衡量這一領(lǐng)域進(jìn)展的標(biāo)準(zhǔn)。他認(rèn)為，「該實(shí)驗(yàn)和『霸權(quán)』這種字眼幾乎會(huì)對(duì)所有人產(chǎn)生誤導(dǎo)。」

　　此外，他還將這一實(shí)驗(yàn)描述為高度特殊的「實(shí)驗(yàn)室」成果，認(rèn)為其「沒有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值」。「量子計(jì)算機(jī)永遠(yuǎn)都不會(huì)取得超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的『霸權(quán)』」，而是將與后者協(xié)作，因?yàn)槎吒饔衅洫?dú)特的優(yōu)勢(shì)。」

　　英特爾量子硬件主管 Jim Clarke 將谷歌的這一進(jìn)展稱為「一個(gè)值得關(guān)注的里程碑」。他說，「商用量子計(jì)算機(jī)」的實(shí)現(xiàn)離不開研發(fā)的進(jìn)步。雖然目前還只是這場(chǎng)馬拉松的第一英里，但我們堅(jiān)信這項(xiàng)技術(shù)的潛力?！?/p>

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