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谷歌是否真的實現了「量子至上」??

2019-10-07 14:56:15 來源:Forbes

量子計算機能夠解決某些傳統計算機無法有效解決問題的狀態,就被稱為「量子至上」。

 一文告訴你,谷歌是否真的實現了「量子至上」

▲ 上圖展示的是量子計算機系統中的一個組成部分(稀釋制冷機),這張照片拍攝于2016年的一間無塵運行室。如果量子計算機真的能夠以超越傳統計算機的速度與效率完成某種計算,那么“量子至上”目標就算是真正達成。但是,這項目標本身并不能幫助我們實現一切關于量子計算的發展夢想。

在剛剛過去的9月份,有一條爆炸性新聞披露:作為致力于量子計算研發的全球科技巨頭之一,谷歌公司宣稱其剛剛實現了“量子至上”目標。盡管現在經典計算機(包括筆記本電腦、智能手機甚至是現代超級計算機)已經非常強大,但不少科學問題當中包含的復雜性仍然無法被解決。

而如果我們能夠構建起功能更為強大的量子計算機,則可以利用它解決一系列經典計算機所無法解決的難題。這種通過量子計算機解決某些傳統計算機無法有效解決問題的狀態,就被稱為「量子至上」。那么,谷歌真的做到了嗎?我們將通過研究,逐步找出答案。

>>> 經典計算機與量子計算機的區別

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▲ 如今,固態存儲設備的基本工作原理,在于通過抵制或者允許帶電粒子穿過基板/柵極以產生電流流動,從而表達0或1這一編碼結果。原則上,我們也可以通過將柵極替換為永久電荷的方式將傳統比特轉化為量子比特,但量子比特的瞬態不再為0或1,而是兩種狀態疊加共存。

經典計算機的概念非常簡單,最早可以追溯到阿蘭·圖靈最早提出的圖靈機模型。通過將信息編碼為比特(即0和1),我們就可以對這些比特進行一系列運算(例如AND、OR、NOT等),并以此為基礎執行任意其他計算。但是,其中某些計算易于實現,而有一些則難度極高。當然,從理論上講,只要我們能夠設計出一種與計算需求相對應的算法,那么無論其需要占用多少計算資源,我們都可以把它編程至經典計算機當中。

不過問題在于,量子計算機的基本原理與經典計算機有所不同。量子計算機使用量子比特或者普通比特的量子模擬,用以替代通常僅能為0或者為1的普通比特。這種顛覆性的設計理念,意味著我們要想邁入量子時代,就必須對經典時代所熟知的特定物理原理加以轉變。

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▲ 這套離子阱設計方案主要基于Wolfgang Paul的工作成果,也是量子計算機應用離子阱技術的早期實例之一。這張照片拍攝于2005年位于奧地利因斯布魯克的一個實驗室,其中展示的是目前已經過時的一臺早期量子計算機的組件之一。離子阱計算機的計算速度遠遠不及超導量子比特計算機,但其相干時間在尺度上則更長,因此維持計算穩定性的難度也就更低。

量子比特不會被永久記錄為明確的0或者1,而代表著一種二態量子力學系統,其中基態代表0,激發態則代表1。(例如,電子可以以向上或者向下兩種方式維持自旋;光子可以在其極化方向上進行左旋或者右旋等。)在進行系統初始準備以及讀取最終結果時,量子比特的值也只會顯示為0與1,這一點與經典計算機中的普通比特完全一致。

其中最大的區別在于,執行實際計算操作時,量子比特并非處于確定的狀態,而是表現出0與1的疊加態:類似于薛定諤提出的既生又死的貓。只有當計算結束并讀取最終結果時,我們才能夠得到唯一一個真正的最終狀態值。

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▲ 在薛定諤提出的經典實驗中,我們并不知道小貓是否因量子衰變而被殺死。具體來講,盒子中小貓的生死取決于放射性粒子是否衰變。如果這代表著一套真正的量子系統,那么小貓本身既非生也非死,而是處于兩種狀態的疊加,直到實驗者對結果進行直接觀察。

經典計算機與量子計算機之間存在著巨大的差別,包括預測、確定性與概率。與一切其他量子力學系統一樣,我們無法簡單為量子系統提供初始條件以及可供其運行的算法運算符,從而準確預測出最終狀態。相反,我們只能先預測最終狀態的概率分布,然后通過反復的關鍵實驗,得出匹配并產生這一預期結果的分布趨勢。

>>> 邱奇-圖靈理論

很多人可能覺得,要想模擬量子活動,必須要使用量子計算機——其實并不一定。我們可以在量子計算機上模擬量子活動,也可以在圖靈機(即經典計算機)上實現相同的效果。

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▲ 在擁有充足計算能力的前提下,計算機程序也可以利用經典(非量子)計算機上的無缺陷運行算法,對候選的梅森素數進行暴力分析,從而查看其是否與理想數相對應。對于較小的數字,這種運算能夠輕松實現;但對于規模龐大的計算任務來說,其難度則極高,而且需要消耗巨大的算力。

這也是計算機科學當中最重要的思想成果之一:邱奇-圖靈理論。這一理論指出,只要某個問題能夠由圖靈機解決,那么該問題也一定可以通過其他任何計算設備解決。這種計算設備可以是筆記本電腦、智能手機、超級計算機甚至是量子計算機。換句話說,在某一計算設備上能夠解決的問題,應該可以在一切計算設備上得到解決。這話絕對沒錯,只是其中沒有提到該問題的計算速度或者效率,也沒有體現任何關于量子至上理論的信息。

與此同時,其中還存在著另一個更具爭議性的問題,即對邱奇-圖靈理論的擴展。該理論指出,圖靈機(例如經典計算機)能夠始終有效模擬任何計算模型,甚至模擬固有的量子計算過程。而如果我們能夠對此提出一個反例——例如演示一個例子,證明量子計算機的執行效率要遠遠高于經典計算機,則意味著“量子至上”得到了直接證明。

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▲IBM公司的四量子比特方電路堪稱計算領域的先驅,有朝一日功能強大的量子計算機也許足以模擬整個宇宙。但是,目前量子計算領域仍處于起步階段,因此在任何限制條件下證明量子至上,在當下都是一個了不起的里程碑。

這也是目前眾多科研人員和科技巨頭正在為之各自努力的共同目標:設計出一種量子計算機,至少能夠在某一可重現的條件下顯著超越經典計算機。那么,要如何實現這個目標?其中的關鍵,可以簡單概括成——在經典計算機當中,我們可以對任何信息比特(或者比特組合)執行多種經典運算,包括大家所熟知的AND、OR以及NOT等運算。

但如果我們擁有的是一臺量子計算機,那么其中提供的量子比特就能夠在經典運算之外,執行一系列純量子運算。這些量子運算遵循能夠在經典計算機上模擬的特定規則,但卻不必像后者那樣承擔巨大的計算成本代價。與此同時,所有運算過程都能夠在量子計算機上實現輕松模擬,且與量子比特的相干時長相比,執行所有計算操作所需要的時間都將大大縮短。

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▲ 在量子計算機當中,處于激發態(狀態為「1」)的量子比特將在所謂相干時間這一時間尺度上誤差回基態(狀態為「0」)。如果量子比特之一在執行所有計算之前發生衰減,而我們又讀取了它給出的結果,則會產生錯誤。

>>> 谷歌:以特定的協議嘗試實現“量子至上”

考慮到這一點,谷歌團隊在NASA網站上發表了一篇論文(可能是最終版本的早期草稿),但隨后又將其刪除,導致很多科學家還沒來得及閱讀并下載。雖然尚未弄清文章中所提到的全部含義,但我們可以通過以下方式想象他們采取的解決方法。

這里,我們想象自己擁有5個比特或者量子比特信息,全部為0或者1。這些狀態都以0作為起點,但我們為其準備了一種新狀態,其中有兩個比特/量子比特被激發為“1”狀態。如果完全控制了這些比特或者量子比特,則能夠以顯式方式實現狀態準備。例如,我們可以將1號比特與3號比特激發為1。在這種情況下,系統的物理狀態將表現為|10100>。接下來,大家可以通過脈沖隨機操作對這些比特/量子比特進行操縱,從而得到特定的概率分布結果。

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▲ 一個9量子比特量子電路,由顯微鏡成像并進行標記。灰色部分為鋁底板,深色區域則為表面鋁材質被蝕刻后的部分,各種顏色用于區分不同的電路元件。對于使用超導量子比特的此類計算機,設備本身必須在毫開爾文級溫度下保持極低溫狀態,且以遠低于50微秒的時間尺度之上運行,只有這樣量子計算才可能實現。

谷歌團隊在實驗當中選擇了一種特定的協議以嘗試實現“量子至上”,其中的要求是在執行任意數量的運算之后,已被激發的比特/量子比特(也就是狀態為「1」的比特)數量必須保持不變。這些運算是完全隨機的,意味著我們不需要限定具體是哪些比特/量子比特處于激發態(1)或者基態(0);總之,我們只需要在5個量子比特當中獲得2個“1”狀態比特與3個“0”狀態比特就行。如果我們不完全執行隨機操作,且不在計算機上以純量子運算的編程方式實現,那么預計5個量子比特所表現出的10個潛在最終狀態將以均勻概率分布。

(這10種可能的結果分別為|11000>, |10100>, |10010>, |10001>, |01100>, |01010>, |01001>, |00110>, |00101>以及|00011>。)

但是,如果我們的量子計算機嚴格遵循我們對于量子計算設備的定義,那么得到的概率分布實際上并不均勻。相反,某些狀態會在最終狀態結果中以更高的頻度出現,而其他一些狀態則較少出現。這是一種非常典型的反直覺結果,源自量子現象以及純量子門的自身特性。我們也可以利用經典計算機模擬這種現象,只是需要投入巨大的計算成本。

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▲ 當我們以|10100>量子比特狀態為起點執行實驗,并經過10次耦合脈沖(即量子運算)之后,對于這10種可能結果中的每一種,我們得到的并不是具有均等概率的均勻分布;相反,某些結果將具有異常高的出現概率,而某些結果的出現概率則極低。對量子計算機的結果進行衡量,即可確定我們能夠維持符合預期的量子活動,亦或是已經在實驗當中失控。

在量子計算機上,即使僅使用經典比特門,我們仍然無法徹底消除量子效應。但是我們可以清楚地看到,實際獲得的概率分布并不均勻,某些可能狀態的發生機率顯著高于直觀預測中的10%,而某一些則低于10%。這些超低與超高概率狀態的存在純粹屬于量子現象,而獲得這些低概率與高概率結果(而非均勻分布)的幾率本身,則是量子活動的重要存在標志。

在量子計算領域,獲得至少一個表現出極低出現概率的最終狀態的幾率,同樣遵循特定的概率分布,即波特-托馬斯分布。如果您的量子計算機完美無瑕、運作良好,那么您將可以根據需求執行任意多次損傷,而后讀取結果以查看您的計算機是否符合預期的波特-托馬斯分布。

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▲ 波特-托馬斯分布,圖中所示為第5、6、7、8、9量子比特在特定量子比特數量與可能狀態下得出某些運算結果的概率。請注意其中的直線,其代表預期的量子結果。如果運行量子電路所需要的總時間過長,則會得出與經典計算機一致的結果:以短綠線為例,這顯然不符合波特-托馬斯分布。

但實際上,我們目前的量子計算機還遠稱不上完美無瑕。任何量子系統,無論經過怎樣全面的籌備(谷歌團隊使用超導量子比特,但大家也可以使用其他量子計算機,例如量子點或者離子阱式計算機),相干時間仍將存在:在這一時間周期之內,我們可以期望特定量子比特能夠一直保持激發態(即1)。而一旦超過該時間,其將衰減回基態0。

這一點非常重要,意味著將量子運算應用于實際系統必須嚴格把控時間周期,即門時間。在相干時間尺度之內,門時間必須非常短,否則所測量的狀態就可能發生衰減,而且最終狀態無法提供我們所需要的結果。同樣的,擁有的量子比特越多,設備的復雜性就越大,而各個量子比特之間發生錯誤串擾的可能性也就越高。為了構建一臺無錯量子計算機,我們必須在系統崩潰之前,將所有量子門應用于所有量子比特。

超導量子比特目前僅能保持50微秒的穩定周期。而即使是在約20納秒的門時間條件下,周期內所能穩定執行的計算也就只有幾十次,而退相干會迅速破壞實驗環境并帶來恐怖的均勻分布結果——換言之,我們努力追求的量子活動將瞬間消失。

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▲ 理想的5量子比特設置,其中初始電路利用2個初始狀態為1以及3個初始狀態為0的量子比特準備而成,其產生最終狀態結果之前需要經歷10次獨立的脈沖(或者說量子門)。如果通過量子門所耗費的總時間比系統的相干/退相干周期短得多,那么我們就能夠獲得與預期相符的量子計算結果。而如果沒有,我們就無法在這臺量子計算機上執行有意義的計算操作。

>>> 實用的「量子至上」仍然沒有實現

問題在于,無論從哪個角度來看,谷歌科學家們利用其53量子比特計算機解決的問題都不能算是實際問題。事實上,這套系統設置經過了專門設計,能夠執行一項對于量子計算機而言非常容易、但對經典計算機來說卻需要消耗大量算力的任務。他們采用的方法是構建一套n量子比特系統(在經典計算機上至少需要2n數量級的普通比特才能進行模擬),然后選擇一種對經典計算機而言計算成本盡可能高的運算任務。

由科學家們(包括谷歌團隊的多位現任成員)提出的原始算法,至少需要一臺72量子比特的量子計算機才能完成量子至上理論的證明。但由于72量子比特尚無實現可能性,所以大家不得不退回53量子比特計算機,同時引入另一個量子門(fSim門,屬于CZ同iSWAP門的結合體)替代原本易于模擬的量子門CZ(fSim門在經典計算機上的執行成本相對更高)。

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▲ 不同類型的量子門根據具體類型表現出不同的保真度(即無錯門的百分比),同時也能體現出經典計算機在處理此類任務時需要的極高算力消耗。量子至上證明實驗最初嘗試使用CZ門,但研究人員發現至少需要72量子比特設備才能完成;他們隨后采用iSWAP門,使得谷歌團隊僅使用53量子比特就證明了這一理論。

很多邱奇-圖靈理論的支持者都抱持著這樣一個希望,即只要存在某種足夠先進的算法,我們也能夠在經典計算機上顯著減少此類問題的計算時間。雖然概率不高,但這確實意味著目前的“量子至上”成就仍然存在著一絲絲崩潰的可能。

不過到目前為止,谷歌團隊似乎確實通過解決某一特殊的(并無實用性)數學問題,從而首次實現了“量子至上”。他們使用量子計算機執行這項任務時,其速度表現甚至遠遠超過目前美國最為強大的經典超級計算機。但是,真正具備實用性的量子至上目標應該能夠幫助我們完成以下三項工作:進行高性能量子化學與量子物理學計算;利用高級量子計算機取代所有經典計算機;面向任意數量的數字運行舒爾算法。

換句話說,量子至上時代可能已經到來,但實用的量子至上能力仍然遠遠沒有實現。例如,如果我們想要分解一個長度為20位的半質數,那么谷歌的量子計算機根本就無能為力。但是,現有筆記本電腦已經能夠在幾毫秒之內完成這項運算。

一文告訴你,谷歌是否真的實現了「量子至上」

▲ Sycamore處理器是一個包含54量子比特的矩形陣列,各量子比特通過耦合器與鄰近的4個量子比特相連,其中包含一個不可操作的量子比特。通過這種結構,谷歌構建起一套實際有效量子比特為53個的量子計算機。通過上圖,我們可以看到光學條件下的Sycamore芯片尺寸與呈現出的顏色。

量子計算領域的進步令人震驚,雖然仍有批評者對此不屑一顧,但數量級更高的量子比特系統無疑將不斷涌現。在出現成功的量子糾錯機制之后(無疑需要利用更多量子比特進行糾錯,同時解決其他一系列復雜的問題),我們將能夠顯著延長相干時間尺度并執行更深層次的計算。

正如谷歌團隊在公布結果時指出:“我們的實驗表明,可能確實存在不符合邱奇-圖靈論文的計算模型。我們已經利用物理實現式量子處理器(具有足夠低的錯誤率)在多項式時間測試中執行了隨機量子電路采樣任務——這項任務在經典計算機當中尚不存在有效的解決方法。”

隨著第一臺可編程量子計算機的誕生,我們終于能夠以有效方式利用量子比特處理令經典計算機束手無策的特定任務,而量子至上也由此得到證明。谷歌團隊肯定會在今年晚些時候發布更為詳盡的實驗結果,也將因為這項非凡的成就而得到贊譽與掌聲。

但我們也必須承認,時至今日,我們距離終極量子計算之夢仍然遙遙無期。如果想要縮短這段探索之路,我們需要竭盡全力推動前沿發展,從而最終實現這個當下最為重要(甚至沒有之一)的技術目標。


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