物理学家评谷歌“量子霸权”:离实际应用还很遥远

北京时间10月25日,10月23日,谷歌研究人员在英国杂志《自然》上发表了一篇论文,称他们已经成功展示了“量子优势”。所谓的量子霸权实际上是指量子计算机对经典计算机的超越。它的计算能力远远超过经典计算机,可以解决经典计算机在合理的时间范围内无法解决的问题。

关于量子霸权的讨论听起来很熟悉。美国宇航局也为这篇论文做出了贡献。早在9月中旬,美国宇航局“无意中”在官方网站上公布了最新的量子计算研究,声称“量子霸权”已经实现,然后迅速将其移除。虽然发表时间不长,但这篇论文已经在网络上引起了震动。这并不奇怪,因为谷歌声称它的量子计算机可以在200秒内完成超级计算机需要10,000年才能完成的事情。这样的结果真的很惊人。

Sycamore量子处理器的布局(a)和外观(b)在芯片中有54个量子位。每个量子位(灰色)通过耦合器(蓝色)连接到最近的量子位。

超级计算机和量子计算机的关键区别在于它们存储信息的方式。超级计算机像任何传统计算机一样,是二进制的,处理1和0个问题。对于量子计算机,涉及量子比特,可以假设0和1的任何排列。然而,这并不意味着量子比特可以像薛定谔的猫一样,两个矛盾的东西要么活着要么死了,要么同时是0和1。

正如理论计算机科学家斯科特阿方索在博客中所说,量子位是“这个和那个的复杂线性组合”,或者是0和1的复杂线性组合。也许最接近的类比应该是“要么这样,要么那样”。阿伦森指出,简而言之,你可以把量子计算机定义为利用这种新“可能性”的计算机。

为什么量子计算机可以通过使用这种“可能性”而被赋予所谓的“霸权”?德国法兰克福高级研究所的理论物理学家萨宾侯赛因菲尔德(Sabine Hossenfelder)解释道:“为了让你理解量子计算机的能力,你可以想象在经典计算机上通过量子力学方程的数值解来模拟量子计算机。”

“如果你这样做,”她继续说,“那么经典计算机的计算负担将随着模拟量子位的数量呈指数级增加。你可以在个人电脑上计算2或4个量子位,但是如果是50个量子位,你需要一个超级计算机集群。任何超过50个量子位的计算目前都很难实现,至少在任何合理的时间内都是如此。”

谷歌的量子计算机是一种叫做“西卡莫”的紫色芯片。西克莫尔原本是一棵西克莫尔树。在论文给出的芯片图片上,一边刻有“谷歌人工智能量子”,另一边刻有“梧桐树”(sycamore)和一棵梧桐树。这个量子处理器被设计成使用54个超导传输量子位。由于其中一个量子位无法正常工作,他们在实验中使用了53个量子位,并将其计算速度与“伪随机量子电路输出采样任务”中的“最先进的超级计算机”进行了比较。研究人员表示,Sycamore的计算没有什么结构,这使得它成为“标杆管理的正确选择”相比之下,传统计算机的运行速度相当慢。他们得出结论,Sycamore的成功“预示着一个备受期待的计算范例的到来。”

2012年,加州理工学院理论物理学家、量子信息与物质研究所所长约翰普雷斯基尔(John Preskill)提出了“量子霸权”这个词,这个词成为了一个划时代的词。威望的初衷是用量子霸权来描述量子计算机发展中的关键节点。他本月在《自然》 (Quanta)杂志上写道:“我想强调的是,这是我们星球历史上的一个特殊时期,基于量子物理原理的信息技术方兴未艾。”他似乎在说谷歌的实验结果应该有一些评论。

“正如谷歌团队所承认的,他们的机器显示出惊人的计算速度,但是他们解决的问题是经过仔细选择的,仅仅是为了显示量子计算机的优越性,”威望补充道。"在其他方面,(量子计算)没有多少实际意义."侯赛因菲尔德也持同样的观点。她说,目前的量子计算机似乎仍然是“科学家的新玩具”,因为“虽然随机变量的产生可以用来检查量子霸权,但它不足以计算任何有用的结果。”

然而,威望称谷歌在探索量子计算机的实用性方面迈出了重要的一步。他认为为即将到来的“新时代”创造一个短语是非常必要的。这个短语是NISQ(噪声中尺度量子),意思是“噪声中量子”。“嘈杂”一词的意思是“不准确”。对于量子位,获得无误差的计算结果仍然太困难。量子计算机运行的时间越长,积累的误差越多,计算结果越不可靠。“中等规模”意味着当前的量子计算机可以做谷歌做的事情,即在某些任务中轻松击败超级计算机,展示量子计算的优势。然而,量子计算机太小,最多只有几百个量子位,不能做任何有价值的事情。因此,要超越NISQ时代需要相当长的时间。

对于量子霸权,目前我们没有什么可兴奋的。“NISQ这个术语实际上是为了让投资者相信量子计算在未来几十年将会有实际应用,”侯赛因菲尔德说。“国家情报和安全局的问题是,尽管它们可能很快就会付诸实施,但没有人知道如何使用它们来计算有用的结果。”也许没人会知道。“我现在非常担心量子计算会走核聚变的老路。这将永远充满希望,但永远不会真正实现,”侯赛因菲尔德补充说。

可以理解的是,谷歌研究人员和他们的美国宇航局合作者对这种不确定性给出了更积极的解释。他们指出,量子计算仍处于“过渡”阶段,从纯学术研究到成为开发新计算能力的关键还有很长的路要走。“我们离有价值的短期应用只有一步之遥。”谁知道这一天什么时候会到来?(任天)