【量子電腦的 Hello World】Google 再度發表量子霸權論文,美國政府也推出國家量子計畫!

Google 的量子電腦。圖片來源:大數據文摘

【為什麼我們要挑選這篇文章】近期,Google 在《自然》期刊上重新發表論文,聲稱達到量子霸權。今年九月,Google 已在 NASA 發表此論文,卻因為不明原因暫時下架。

近年科技巨頭皆投入量子電腦的研發,為了追求量子霸權,並建立量子電腦的衡量規範;美國政府也推出國家量子計畫,斥資 12 億美元在量子電腦的研究上。雖然台灣產業還沒受到量子電腦衝擊,但那個日子越來越近了。(責任編輯:郭家宏)

「《科技報橘》徵才中!跟我們一起定位台灣產業創新力 >> 詳細職缺訊息
快將你的履歷自傳寄至 [email protected]

儘管量子計算在上世紀 80 年代就被提出,但是其出現在人們歷史裡的時間並不長,普通大眾對於量子物理的理解,似乎更類似一種「玄學」。

比如在中國,最近新聞爆出的「量子波動速讀培訓班」,就是打著「量子」的旗號,聲稱經過培訓的小孩幾分鐘能讀完幾十萬字的書。

其實這也難怪,目前對於量子計算的研究還處於嘗試階段,研究量子計算的巨頭公司之間也在互相質疑,大眾就更雲裡霧裡了,然而最近 Google 卻將量子計算帶到了大眾眼前,並引起了不小的波瀾:

9 月 20 日左右,Google 在 NASA 上發表一篇來自 Google 研究員的論文,該論文聲稱 Google 已經實現「量子霸權」(quantum supremacy),隨後該論文被刪除;

10 月 22 日,IBM 的研究者在 arXiv 上發表了一篇論文,稱在超級電腦上模擬 Google 的量子電腦進行計算根本不需要一萬年,2 天半就能做到;

10 月 23 日晚,似乎是對 IBM 的回應,《自然》(Nature)雜誌在官網上放出了重磅消息:一個月前被 NASA 發表又火速刪除的 Google「量子優越性」論文重新發表,稱其是量子領域中「Hello World」一樣的里程碑事件。

論文 傳送門

Google 重新發表「量子霸權」論文

Google 在 23 日發表的一篇論文中聲稱,超級電腦至少需要 1 萬年才能完成的運算,其量子電腦在 200 秒內就可以完成。

這篇論文並非首發,上個月已經在 NASA 發出但是又火速刪除,如今 Google 再度發出,並表示已經實現了自 1980 年代以來科學家們一直尋求的突破,即「量子霸權」(quantum supremacy),它可以使新型量子電腦以當今技術無法想像的速度進行計算。

這個里程碑是在 Google 科學家 John Martinis 及其小組經過大約二十年的量子計算研究之後完成的,從單個超導量子位元到包括 72 個量子結構的系統,以及在 Sycamore 上的 54 個量子位元(有一個沒有執行),它們利用了量子力學令人敬畏的神奇性質。

Sycamore 處理器

Martinis 小組的一位研究員 Ben Chiaro 說:「選擇該演算法是為了利用設備的自然動態來強調量子電腦的優勢。」也就是說,研究人員想要測試電腦容納和快速處理大量複雜的非結構化數據的能力。

量子運算支持的超快速處理能力似乎預示著,2019 年已經迎來了人類自身甚至無法理解的技術性突破新時代。

複雜的疊加狀態

Chiaro 解釋,量子運算的優越性在於量子位元複雜的疊加狀態:「我們執行了一組固定的操作,將 53 個量子位元糾纏為複雜的疊加狀態,這種疊加狀態對機率分佈進行編碼。」

Chiaro 表示:「對於量子電腦,透過在數十微秒內對每個量子位元施加數十個控制脈衝序列,即可完成此疊加狀態的製備。我們可以在 200 秒內達到一百萬次量子位元的運算。而對於傳統電腦來說,計算這些運算的結果要困難得多,因為它需要計算處於 2^53 種可能中任何一種的機率,這就是為什麼人們開始對量子運算感興趣的原因,這是透過矩陣乘法完成的,隨著矩陣變大,這對於傳統電腦而言挑戰極大。」

被比喻為萊特兄弟的首次飛機試飛

一些科學家將 Google 這項突破比作 1903 年萊特兄弟的首次飛機試飛,證明了即使還需要很多年,但是有些事情是有可能實現的。

「萊特兄弟的飛機並不是實用的飛機,」德克薩斯大學奧斯汀分校的電腦科學家 Scott Aaronson 說,「但是卻證明了飛機的巨大潛力。」

儘管如此,一些研究人員告誡不要對 Google 的成就太過興奮,在量子電腦可以移出研究實驗室之前,還需要做很多工作,畢竟,現在一台量子機器的造價就是數百萬美元。

IBM 對 Google 的論文提出質疑

Google 論文發表之後,9 月下旬迅速被撤回,其中的原因成了一個謎,但這篇論文短暫的露面就足以引起競爭對手的關注,他們認為 Google 在誇大成就。

Sundar Pichai(左)和一位 Google 研究員正在檢測量子電腦

本週一,IBM 就先發制人,對 Google 聲稱「超級電腦至少需要 1 萬年才能完成的運算,其量子電腦在 200 秒內就可以完成」的說法提出異議。IBM 指出,用傳統的超級電腦執行該運算,理論上也能在不到兩天半的時間完成,而不是 Google 所說的 1 萬年。

「這不是在爭奪傳統電腦概念上的最終和絶對支配地位。」位於紐約約克敦高地的 IBM 研究實驗室負責人達里奧.吉爾(Dario Gil)說,他們正在那裡建造自己的量子電腦。

其他研究人員也駁斥了 Google「里程碑」的說法,因為該運算過於深奧,它使用量子機器生成隨機數,但這並非能應用於其他領域。

儘管 IBM 質疑 Google 宣稱所取得的成就,但 Gil 認為量子電腦確實離我們越來越近了。「到 2020 年,我們將能夠利用量子電腦實現商業和科學上的競爭優勢。」

與 Google 研究實驗室中其它的前瞻性研究一樣,Google 在量子電腦上取得的成就也得益於學術界的發力。2014 年,Google 聘請了曾在加州大學聖塔芭芭拉分校從事量子運算工作的物理學家團隊。

Google 也回應了 IBM 的質疑,聲稱在論文發表時,量子運算可以在傳統電腦上進行。「我們已經擺脫了傳統電腦的束縛,走向了新的道路,」Google 發言人在聲明中說,「我們歡迎提高仿真技術的建議,儘管對我們來說,在實際的超級電腦上對其進行測試至關重要。」

Google 量子電腦進行的計算表明,複雜的量子系統是可靠的,並且對於產生隨機數,Google 也不同意 IBM 的說法,產生的隨機數是具有實際用途的。

IBM 的研究人員也不全是對 Google 的質疑,有些人認為,所有從事這種近乎神話般的工作的研究人員都應該獲得尊重。從事 IBM 量子運算專案的 Chad Rigetti 說:「Google 的成果不僅對 Google,對整個科學界而言都是一項重大成就。」

並且 Chad Rigetti 還表示:「現在留給我們利用量子電腦去解決商業相關問題的時間已經不多了。」

量子電腦是量子力學的實際應用

量子電腦是一個世紀以來對「量子力學」進行研究的結果,它的運行方式與常規電腦完全不同。它依賴於某些物體在亞原子級或暴露於極冷狀態下的行為彎曲方式實現,Google 量子電腦內部就將金屬冷卻至逼近華氏零下 460 度(接近絕對零度)。

耶魯大學的羅伯特.斯科爾科普夫(Robert Schoelkopf)配備了一種製冷裝置,可將超導量子位元冷卻到接近絶對零度。

業界普遍認同相信,總有一天,量子電腦將推動人工智慧的發展,或者輕易破解對國家安全至關重要的電腦加密技術,因此,各個大國都將量子運算視為國家安全發展的重中之重。

但是首先要解決的是,必須證明量子電腦不能僅僅停留在理論層面。

傳統電腦透過處理資訊的「位元」來執行計算,每個位元用 1 或 0 計數,數十年來一直如此,要理解量子電腦的與眾不同,還需要接受這樣的觀念:單個物體在極小或極冷的情況下,可以同時表現為兩個單獨狀態的物體。

透過利用變化,科學家可以構建一個量子位元(quantum bit/qubit),它也能儲存 1 和 0 ,兩個量子位元一次性能容納四個值。隨著量子位元數量的增加,量子電腦的功能也將指數增加。

位於多倫多的計算量子公司 Xanadu 的一款室溫量子晶片,能夠基於光束中的資訊開發量子位元。

早在上世紀 80 年代,理查.費曼(Richard Feynman)就首次提出了這個想法,但是量子位元很脆弱,把它們連接在一起甚至需要花費數年時間。在過去幾十年中,學術界、工業界和政府始終致力於量子運算,包括圍繞光或電磁場粒子建構的系統,期望這些系統能捕獲微小的帶電粒子。

直到大約 20 年前,日本研究人員率先發明了「超導量子位元」(superconducting qubits),能將某些金屬冷卻到極低的溫度,從而給業界帶來了希望,也促進了 IBM、Google 和 Intel 相關項目的提出與開發。

約翰.馬丁尼斯(John Martinis)負責管理 Google 量子電腦的硬體部分,他表示:「我們基於量子力學中,某些超乎尋常的原理建構了這種新型的量子電腦。」

他還說道:「當前,我們還處於嘗試利用量子運算的階段。」

Google 首席執行官 Sundar Pichai 也表示:「量子運算將極大地補充我們在傳統電腦上所做的工作,我們也將繼續深入研究。量子在許多方面使運算全面發展,為我們提供了另一種表達宇宙語言,理解世界和人類的方式。不僅在 1 和 0 中,而是在所有狀態中:美麗、複雜且具有無限可能。」

量子電腦時代即將來臨,台灣準備好了嗎?

12/6 世貿一館,2019 未來科技展,破解量子運算關鍵
點我了解更多

科技巨頭爭奪量子霸權,美國政府也推出國家量子計畫

包括微軟、Intel、IBM 和 Google 在內的眾多知名企業都在爭奪量子運算領域的霸權地位,資本也是隨之而動。

最近的一項調查顯示,風險資本家向探索量子運算的新創企業的投資,已經超過了 4.5 億美元(約新台幣 140 億元)。

目前,中國已投資 4 億美元(約新台幣 124 億元)在量子實驗室的建設上,近年來申請的量子專利幾乎是美國的兩倍。美國政府今年也推出了自己的國家量子計劃(National Quantum Initiative),承諾將斥資 12 億美元(約新台幣 372 億元)用於包括電腦在內的量子研究。

掌握標準制定,才能真正實現量子霸權

研究量子運算的巨頭之間的競爭主要在於測試標準,對於量子電腦的性能,目前國際上還沒有一個廣泛認可的評測標準,為了在未來的標準制定上搶佔高地,各家有能力設計量子電腦的公司同時也在推行其測試標準。

永遠讓人迷惑的 Google

領導 Google 擁有 72 個超導量子位元的量子電腦專案的物理學家約翰.馬丁尼斯(John Martinis)為自己的東家站台,他認為解決一個傳統電腦無法解決的問題是一個重要的的衡量標準,因為 Google 自己測試的方法比較奇特——給量子電腦編程,看特定隨機序列出現的機率會不會由於量子干擾而增大。

然而,加州大學戴維斯分校的數學家 Greg Kuperberg 卻批評,這種看似神秘的運算不會引入實用的量子電腦測試,Google 就是在「做一些看起來厲害,實際完全無用的事情」。這也是 IBM 質疑 Google 的一個方面。

只看商業價值的 Rigetti

而 Rigetti 公司的研究人員的目標,則是證明量子電腦可以比傳統電腦更準確、更快或更廉價地執行一些有用的任務,比如為對沖基金中金融資產之間複雜的相互作用建立模型。

Rigetti 公司的創始人、物理學家 Chad Rigetti 認為,提供從技術轉化到利益最短的路才是量子電腦的價值。

試圖兼容的 IBM

IBM 的研究人員定義了一個名為「量子體積」的衡量標準,它可以在不與傳統機器進行比較的情況下測試量子電腦的性能。它包括使用像 Google 所使用的隨機序列運算來測試量子電腦,測試既依賴於量子位元的數量,也依賴於電腦在量子態模糊之前能夠處理的計算週期的數量。

IBM 的科學家們使用一台含有 20 個超導量子位元的機器,已經達到了 16 個量子的體積,並計劃每年將其翻倍。

普林斯頓大學的對比測試

在 Martonosi 的測試中,基於 5 個量子位元離子的機器測試的準確率達 90%,相比之下,基於超導量子位元的電腦準確率只有 50% 或更低。Martonosi 說,這種差異反映的是技術當下的情況,而不是它們的潛力。例如,在超導機器中,每個量子位元只與相鄰的量子位元相互作用,但是 UMD 機器中的每個離子都與所有其他離子相互作用,使其具有優勢。

儘管各家有各家的說法,但是 MIT 的物理學家 Aram Harrow 卻潑了一碰涼水,他認為從長遠來看,這些方法都沒什麼用,他說:「量子運算的主要挑戰仍然是尋找一種可以擴展到數千個量子位元的技術,而這些測試的指標只是針對小規模的量子位元。」

所以說,約翰.馬丁尼斯(John Martinis)的那句話不僅適用於 Google,而且適用於整個量子運算領域——目前,我們還處於嘗試利用量子運算的階段。

相關原文報導:
Google claims quantum computing ‘supremacy’ in major milestone
Achieving quantum supremacy
Google Claims a Quantum Breakthrough That Could Change Computing

(本文經合作夥伴 大數據文摘 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈Hello Quantum!谷歌首次实现量子优越性,200 秒=超算 10000 年,论文登上 Nature〉。)

更多關於量子電腦的消息

量子電腦、機器學習強強聯手!科學家發表自動量測量子位元的機器學習演算法
IBM 推出 53 量子位元的量子電腦!突破預言門檻,「量子霸權」的時代來臨了嗎?
科學家首次拍到「量子糾纏」的光子照片,量子電腦的運作原理清楚展現!


人類陷入空前數據絕境

量子運算數秒瓦解所有加密技術!企業毫無抵擋之力 搶先報名 11/6《2019 未來科技展》量子加密場次 找到資安機制一線希望

點關鍵字看更多相關文章: