谷歌的量子技术里程碑让科学家兴奋,也刺激了竞争对手 | 智能技术

发布日期:2019-11-10 10:00
谷歌的量子霸权演示是一项由硅谷资金赞助的大型物理实验。

圣芭芭拉实验室的一台谷歌量子计算机

如今,随着谷歌、IBM和英特尔等科技巨头开发量子技术硬件,人工智能量子计算已经看起来像是大企业的领域。但就在竞争对手们对谷歌宣布显示出量子计算相对于最强大的超级计算机的优势做出反应之际,科学家们对这一演示表示欢迎,认为它为量子物理学的理论研究提供了重要的实验证据。
谷歌的量子优势演示展示了它的“Sycamore”设备如何正确地验证来自量子等效随机数生成器的采样结果。在谷歌的量子计算设备上,这个小众计算任务只需要200秒,而在世界上最强大的超级计算机上,同样的测试计算需要几天甚至几年的时间。许多研究人员称赞这次演示是创造实用量子计算机的马拉松式努力的早期里程碑。但他们最直接的兴趣是科学性;关于商业机会的阴谋将会在这条路上走得更远。
“这不仅仅是实现可扩展量子计算机道路上的一个里程碑,”Umesh Vazirani说。“在我看来,这也是一个基础物理实验。”
通过利用量子力学的规则来决定宇宙中最小尺度上粒子的行为,科学家和工程师们已经找到了如何用量子比特(量子位)来编码信息,它可以存在于许多不同的可能状态,而不是现代计算机的二进制位。这可能使量子计算设备执行某些计算操作的速度比目前使用的“经典计算机”要快得多。谷歌的量子优势实验似乎明确地证明了这种“指数加速”的优势,详情刊登在2019年10月23日的《自然》杂志上。
当然,谷歌、IBM、英特尔等公司发展量子技术并不是纯粹为了追求科学发现。但他们对量子计算商业化可能性的兴趣,帮助创建了瓦兹拉尼所说的量子信息科学的“加速时间表”,即各公司与学术实验室合作,或挖走研究人才,以推进自己的努力。大学也同样加快了他们的量子项目,投入了更多的资源,扩大了实验研究小组的数量。
各国政府也开始将数十亿纳税人的钱投入相关项目,着眼于利用量子计算和量子科学,以保障国家安全和创新。对美国和中国这样的国家来说,对量子技术的投资可以帮助巩固技术领先地位,或者超越竞争对手的传统技术优势。考虑到全球竞争的格局,很容易理解为什么即使是美国总统的家庭成员也会公开庆祝谷歌的量子霸权论证——即使研究人员刚刚开始仔细审查结果。
瓦兹拉尼说:“像这样的事情,我们必须评估一段时间,才能得出结论。”“这可能是一大步或一小步,但在更大的计划中,重要的是这是第一步。”
谷歌是如何建立量子技术的


谷歌的量子霸权的成功,尽管是初步的,来自一个叫做“Sycamore”的54量子位元阵列,它使用超导金属环构成的量子位元,在零下的温度下保持冷冻。但是,制造一台实用的量子计算机并不仅仅是在一个设备中塞入尽可能多的量子位元。研究人员还必须确保量子位元之间能够保持耦合,并在足够长的时间内保持它们脆弱的量子态,以便进行有用的计算。
该公司最初有两个团队并行开发54量子位的Sycamore和更大的72量子位的设备Bristlecone。但是,一种新的可调节耦合器,帮助保持相邻的量子位元之间的连接,在Sycamore的设计中被证明是如此的成功,以至于谷歌的研究人员很快决定把重点放在这个装置上。这一决定为6月份用悬铃木进行的量子霸权示范铺平了道路。
在周三的新闻发布会上,谷歌量子人工智能团队量子硬件的首席科学家John Martinis说:“因为你可以用Sycamore制造一个可调节的耦合器,我们认为使用它会有很大的优势。”
在接下来的一年里,谷歌的团队计划使用同样的Sycamore设备架构进行另一次量子霸权实验——这一次,演示对单量子位和双量子位错误的校正。
在2018年12月的测试中,谷歌发现了Sycamore设备上的一个量子位因为一条不工作的控制线而无法使用。但研究小组意识到,他们可以继续研究53个功能量子位元,以进行量子霸权实验。
当到了展示量子霸权的时候,这个Sycamore设备在仅仅200秒内就轻松地完成了随机量子电路采样的任务。谷歌的估计表明,同样的测试计算可能要在世界上最强大的计算机上花费1万年的时间。
量子计算对手的反应
由于研究论文的早期草稿被提前泄露,许多量子计算社区已经对谷歌的量子霸权演示议论了数周。就在谷歌正式宣布的前几天,IBM上传了一篇论文,声称Summit超级计算机可以在短短2.5天内完成量子电路采样,而不是数千年。
为了提高超级计算机与量子计算设备的匹配能力,IBM的团队建议将一些必要的计算结果存储在辅助磁盘存储器中,而不是仅仅依赖于主RAM(随机存取存储器)存储器。IBM还发表了一篇博客文章,称“量子至上”一词被夸大了,并警告说,它给人一种误导的印象,即量子计算机总有一天会取代所有经典计算机。
尽管IBM反驳了谷歌的量子优势声明,但几位独立研究人员指出,与Summit超级计算机在2.5天内处理相同任务相比,Sycamore设备200秒的性能时间仍然是一个显著的加速。(谷歌的研究人员还表示,他们欢迎IBM的努力和类似的技术挑战,作为更广泛的研究社区验证其结果的努力的一部分。)
加州大学戴维斯分校的数学家Greg Kuperberg在与几名记者分享的评论中说:“这仍然是量子大卫对经典巨人的极端对决。”“为了回答这53个量子位,IBM仍然使用了全世界最快的超级计算机的整个计算时间,一台200千万亿次浮点运算的机器,有成千上万个处理核心和上万亿个高速晶体管。”
另一家量子计算的竞争对手英特尔(Intel)发布了一份更为祝贺的新闻稿,称赞了谷歌的量子霸权示范。但英特尔也借此机会表明,当扩展量子计算设备的尺寸时,基于自旋量子比特的量子计算架构可能比谷歌的超导量子比特方法更有优势。与谷歌不同的是,英特尔在探索两种不同的量子计算体系结构方面的努力相当均衡。
一个更隐晦的回应来自一个中国研究团队,他们上传了自己的论文,以配合谷歌宣布的量子霸权。中国的实验似乎展示了另一种可能的途径,通过使用基于光子粒子相互作用和测量的“玻色子采样”方法来实现量子霸权。
“谷歌的超级计算工作做得很好,他们投入了很多资源。这是值得的,但并不意味着比赛已经结束。”
亚兰耙,麻省理工学院
得克萨斯大学奥斯汀分校(University of Texas at Austin)量子信息中心(quantum Information Center)主任斯科特·阿隆森(Scott Aaronson)在一篇关于谷歌的演示和各种反应的博客文章中说,所有竞争量子计算努力的任何进展,对该领域整体来说都是好消息。毕竟,还没有一个研究小组展示出一种完全纠错和容错的量子计算机——这是下一个重大里程碑,也将有助于实现真正实用的量子计算。
建立在量子优势之上
谷歌已经将目光投向下一个里程碑,因为它的Sycamore设备被设计成包含错误纠正技术,如表面代码。在接下来的一年里,谷歌的团队计划使用同样的Sycamore设备架构进行另一次量子霸权实验——这一次,演示对单量子位和双量子位错误的校正。
他说:“我们非常兴奋,因为我们在这方面取得的成果基本上已经达到了进行误差修正实验的起点。”
另一个里程碑是在未来几年内演示在一个1000量子位元设备上的纠错。这仍低于量子计算所需的约1亿物理量子位元,而量子计算有可能破解保护计算机安全和互联网的复杂数字代码。(这是人们对量子计算能力的长期期待,也是围绕此类研究的阴谋论最多的地方。)但是,Martinis说,“在我们看来,我们有时间来考虑这个问题。”
谷歌已经在实验室中建立了几个Sycamore量子处理器,并表示有信心在Sycamore之外建立更多的量子计算设备。该公司还计划从2020年开始,让谷歌的工程师通过云计算接口,在量子计算设备上远程运行计算操作。该公司还表示,将为外部研究人员提供类似的量子计算接入服务。
也有可能利用随机量子电路在谷歌最近的实验中用于商业应用。谷歌团队表示,他们计划调查Scott Aaronson最近提出的假设,即这种类型的随机量子电路可以实现认证的随机性协议。这种协议可能对加密货币和其他加密应用程序有用。
但其他独立研究人员对随机量子电路的应用仍持谨慎态度。Kuperberg将自己描述为“对量子霸权测试在现实世界的应用持怀疑态度”,并将量子霸权的里程碑比作用一根线制作了一只令人印象深刻的风筝。在他看来,开始询问风筝是否可以运送包裹或载人似乎有些奇怪。
Kuperberg说:“在现实世界中,有许多方法可以证明随机性,但是我完全不认为这个世界需要这种非常奇特的证明。”“不过,在这一点上我可能是错的,我尊重经过认证的随机性,把它作为一个讨论话题。”
目前,许多学术研究人员预计将花时间深入研究谷歌长达63页的论文增刊,其中包含量子霸权实验背后的许多技术细节。他们也期待着未来的量子计算实验,以及获得更多的量子计算设备的实践时间。这些步骤可以使整个领域从理论工作转向收集量子计算和量子物理的经验证据。
麻省理工学院的理论物理学家Aram Harrow说:“谷歌的超级计算工作做得很好,他们投入了大量的资源。”“这是值得的,但并不意味着比赛已经结束。”