「量子計算機 200 秒,最強超算 10000 年」!谷歌聲稱實現量子霸權的論文今天終於以 Nature 封面重磅的形式發表,77 位作者合著的重磅論文爲我們揭開了谷歌量子霸權的全貌,然而,批判和質疑也隨之而來。

鏈聞此前報道,目前國際密碼學公認基於 Hash 函數的數字簽名(Hash-based cryptography)能抗量子計算機攻擊,如 Merkle 在 1989 年提出的認證樹簽名方案,它的安全性基於 Hash 函數的安全性。目前尚未存在有效針對一般 Hash 函數的量子計算機攻擊。

而《精通比特幣》一書作者 Andreas M. Antonopoulos 在 10 月 10 日舉行的 Q&A 答疑活動中表示,谷歌在量子計算機方面的成就並不會對加密貨幣產生影響,稱「谷歌描述的量子霸權(Quantum Supremacy)論證了量子計算機對某些特定類型問題的實際適用性,但這類問題和我們所說的破壞密碼學的問題類型完全不同。

原文標題:《77 位作者!谷歌量子霸權論文正式登上 Nature,54 比特量子計算機將向學界開放》
來源:Nature、Google AI、新智元

上個月,谷歌聲稱實現 「量子霸權」 的新聞沸沸揚揚:谷歌打造出第一臺能夠超越當今最強大的超級計算機能力的量子計算機!

該量子系統只用了 200 秒完成一個計算,而同樣的計算用當今最強大的超級計算機 Summit 執行,需要約 10000 年。

谷歌的論文一開始在 NASA 網站上發佈,但不久被悄悄刪除。

今天,谷歌 「量子霸權」 論文終於以封面重磅的形式在 Nature 正式發表!

谷歌的「量子霸權」有多強?會威脅到加密貨幣安全性嗎?

77 位作者合作的重磅 論文《使用可編程超導處理器達到的量子霸權》(Quantum supremacy using a programmable superconducting processor),爲我們揭開了谷歌 「量子霸權」 實驗的全貌。

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Nature 同時還發表一篇 「新聞與觀點」 文章,稱這一成就是量子計算的重大里程碑事件。

0 (2).jpg谷歌 CEO Sundar Pichai

量子計算的一個目標是以指數級倍數超過傳統經典計算機的速度執行特定計算任務。實現這一目標需要克服許多挑戰,比如在產生較大計算空間的同時保證計算錯誤率低,以及設計一種經典計算機難以處理,但量子計算機可以輕鬆完成的基準測試。

論文通訊作者 John Martinis 和同事描述了實現量子霸權所取得的技術進展。他們研製了一臺由 54 個量子比特組成的處理器 (名爲 Sycamore 處理器),該處理器利用量子疊加和量子糾纏實現的計算空間與經典比特所能達到的相比,實現了指數級的增加。由於有 1 個量子比特無法有效工作,處理器實際只用了 53 個量子比特。

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研究團隊開發的糾錯流程可以保證較高的運算保真度 (高達 99.99%)。爲了測試該系統,團隊設計了一項對量子電路產生的隨機數字進行採樣的任務。對於經典計算機來說,這一任務的難度會隨量子電路中量子比特數的增加而增加。最後,量子處理器在 200 秒左右的時間內從量子電路中採集了 100 萬個樣本,而當今最強大的超級計算機大約需要 1 萬年的時間才能完成這一任務。

Nature 評論文章表示,谷歌的這一成就是 「對世界領先的超級計算機…… 實現量子霸權無疑是一項了不起的成就」。但文章也指出,在量子計算機投入實際應用前還需開展更多工作,比如實現可持續的容錯運算。

然而,針對谷歌「量子霸權」事件的批判和質疑也隨之而至。就在 Nature 論文發表的前一天,IBM 研究人員發文稱,谷歌並未充分利用超級計算機的存儲潛力,所以上述說法可能站不住腳。

谷歌的「量子霸權」有多強?會威脅到加密貨幣安全性嗎?

IBM 團隊寫道 : 「在一個經典的系統上,同樣的任務的理想模擬可以在 2.5 天內完成,而且保真度要高得多。」「這實際上是一個保守的、最壞情況的估計,我們預計,隨着進一步的改進,模擬的成本可以進一步降低。」

美國路易斯安那州立大學教授喬納森・道林(Jonathan Dowling)說,目前,IBM 似乎有一些優勢。谷歌選擇了一個他們認爲在經典機器上很難解決的問題,但現在 IBM 已證明這個問題沒有谷歌想象的那麼難。

這意味着谷歌實際上並沒有表現出量子霸權,而且競爭仍在繼續。谷歌對此並未立即回覆。

接下來,新智元先帶來谷歌對他們的研究的詳細解讀,再附上 IBM 的批判文章,孰是孰非,歡迎讀者來評判。

登上 Nature 封面重磅,谷歌「量子霸權」實驗完全解讀

30 多年來,物理學家一直在談論量子計算的力量,但一直存在的問題是:它是否能做一些有用的事情,是否值得投資?

對於如此大規模的工程,制定決定性的短期目標來明設計是否朝着正確的方向發展是很好的工程實踐。因此,我們設計了一個實驗作爲一個重要的里程碑,以幫助回答這些問題。

這個實驗被稱爲 「量子霸權實驗」(quantum supremacy experiment),它爲我們的團隊克服量子系統工程中固有的許多技術挑戰提供了方向,從而研製出既可編程、又功能強大的計算機。

爲了測試整個系統的性能,我們選擇了一個敏感的計算基準,如果計算機的單個組件不夠好,這個基準就會失敗。

今天,我們在《自然》雜誌發表的文章《使用可編程超導處理器達到的量子霸權》中發表了量子霸權實驗的結果。

爲了進行基準測試,我們開發了一個全新的 54 量子比特處理器,名爲 「Sycamore」,它由快速、高保真的量子邏輯門組成。

我們的處理器在 200 秒內完成了目標計算,根據實驗中的測量結果,我們斷定,世界上最快的超級計算機需要 10000 年才能產生類似的結果。

0 (4).jpg左:掛在低溫恆溫器上的 Sycamore 處理器的藝術再現,右:Sycamore 處理器的照片

量子霸權實驗

爲了瞭解這個基準測試是如何工作的,請想象一下,熱情的量子計算新手訪問我們的實驗室,爲了在我們的新處理器上運行一個量子算法。他們可以從一個基本門操作的小字典中組成算法。由於每個門都有出錯的可能性,我們的客人會希望將自己限制在一個適當的序列中,總共有大約 1000 個門。假設這些程序員之前沒有經驗,他們可能會創建一個本質上看起來像門隨機序列的東西,可以將其視爲量子計算機的 「hello world」 程序。由於在隨機電路中沒有經典算法可以利用的結構,因此,經典超級計算機模擬這樣的量子電路通常需要花費大量的努力。

在量子計算機上,隨機量子電路的每次運行都會產生一個位串 (bitstring),例如 0000101。由於量子干涉 (quantum interference),當我們多次重複實驗時,某些位串會比其他位串更容易出現。然而,隨着量子比特的數量 (寬度) 和柵極週期 (深度) 的增加,在經典計算機上爲隨機量子電路尋找最有可能的位串變得更加困難。

0 (5).jpg證明量子霸權的過程

在實驗中,我們首先運行 12 到 53 個量子比特的隨機簡化電路,並保持電路深度不變。我們使用經典模擬來檢驗量子計算機的性能,並與理論模型進行比較。一旦我們證實系統工作正常後,我們就運行 53 個量子比特、且不斷增加深度的隨機硬電路,直到達到經典模擬變得不可行的程度。

0 (6).jpg根據 Schrödinger-Feynman 算法的量子比特數和週期數來估計量子霸權電路的驗證時間。紅色的星星表示實驗電路的估計驗證時間

這個結果是對邱奇 - 圖靈論題 (Church-Turing thesis) 的第一個實驗挑戰,該論題認爲,經典計算機可以有效地實現任何 「合理的」 計算模型。這是無法在經典計算機上合理模擬的第一個量子計算,我們開闢了一個新的有待探索的計算領域。

54 比特「量子霸權級」處理器將向學界開放提供

Sycamore 處理器

量子霸權實驗是在一個名爲 「Sycamore」 的完全可編程的 54 量子比特處理器上進行的。它由一個二維網格組成,其中每個量子比特與其他四個量子比特相連。因此,該芯片具有足夠的連接性,使得量子比特狀態可以在整個處理器中快速交互,從而使整個狀態無法在傳統計算機上有效地模擬。

量子霸權實驗的成功是由於我們改進了具有增強並行性的雙量子比特門,即使同時操作多個門,也能可靠地實現記錄性能。我們使用了一種新型的控制旋鈕來實現這一性能,該旋鈕能夠關閉相鄰量子比特之間的相互作用。這大大減少了這種多連接的量子比特系統的誤差。通過優化芯片設計以降低串擾,並開發新的避免量子比特缺陷的控制校準,我們進一步提高了性能。

我們在一個二維的正方形網格中設計了這個電路,每個量子比特連接到另外四個量子比特。該架構也向前兼容以實現量子誤差校正。

我們認爲,這個 54 量子比特的 Sycamore 處理器是一系列更強大的量子處理器中的第一個。

0 (1).png熱圖顯示了同時運行的所有單量子比特 (e1, 叉號) 和雙量子比特 (e2, 方形) 的 Pauli 誤差。所示佈局遵循處理器上的量子比特的分佈。(由《自然》雜誌提供)

量子物理測試

爲了確保量子計算機在未來能夠實用,我們還需要驗證沒有來自量子力學的基本障礙。物理學在通過實驗來檢驗理論極限方面有着悠久的歷史,因爲當人們開始探索以截然不同的物理參數爲特徵的新體系時,常常會出現新的現象。

先前的實驗表明,量子力學在狀態空間的維數達到 1000 左右時,能夠正常工作。在這裏,我們將這個測試擴展到一萬萬億 (10 quadrillion) 的大小,並發現一切仍然如預期的那樣工作。

我們還通過測量兩個量子比特門的誤差來測試基本量子理論,並發現這可以準確地預測整個量子霸權電路的基準測試結果。

這表明,沒有意料之外的物理現象會降低我們的量子計算機的性能。因此,我們的實驗提供了證據,表明更復雜的量子計算機應根據理論運行,並使我們對繼續擴大規模充滿信心。

應用領域

Sycamore 量子計算機是完全可編程的,可以運行通用的量子算法。自去年春天獲得量子霸權的成果以來,我們的團隊已經在研究近期的應用,包括量子物理模擬和量子化學,以及生成機器學習等領域的新應用。

下一步是什麼 ?

我們的團隊未來有兩個主要目標,兩個目標都有關在量子計算中尋找有價值的應用。

首先,未來,我們將向合作者和學術研究人員,以及對開發算法和尋找今天的 NISQ 處理器的應用程序有興趣的公司提供我們的量子霸權級處理器。富有創造力的研究人員是創新的最重要資源 —— 既然我們有了新的計算資源,我們希望更多的研究人員進入這個領域,嘗試發明一些有用的東西。

其次,我們正在投資我們的團隊和技術,以儘快打造一臺容錯的量子計算機。這樣的設備有許多有價值的應用前景。例如,我們可以設想量子計算將幫助設計新材料 —— 例如用於汽車和飛機的輕型電池,可以更有效地生產肥料的新型催化劑 (目前這個過程產生的碳排放量佔全球的 2% 以上),以及開發更有效的藥物。要獲得必要的計算能力仍然需要多年的艱苦工程和科學工作。但我們現在清楚地看到了一條道路,我們渴望向前邁進。

IBM 不服:谷歌實際上並沒有表現出量子霸權

就在谷歌的 Nature 論文發表的前一天,IBM 研究人員發文稱,谷歌並未充分利用超級計算機的存儲潛力。谷歌選擇了一個他們認爲在經典機器上很難解決的問題,但現在 IBM 已證明這個問題沒有谷歌想象的那麼難,因此谷歌實際上並沒有表現出量子霸權,而且競爭仍在繼續。

以下是 IBM 發表的博客全文:(經授權轉載自微信公衆號「圖靈 TOPIA)

量子計算機已開始接近經典模擬的極限,重要的是,我們必須繼續對進展進行基準測試,並瞭解它們的模擬難度,這是一個有趣的科學問題。

量子計算的最新進展產生了兩個 53 量子位的處理器:一個是來自我們 IBM 小組的,另一個是 Google 泄露的論文中描述的設備。在論文中,他們認爲自己的設備達到了「量子霸權」,而「一臺最先進的超級計算機將需要大約 1 萬的時間來執行相同的任務。」

我們認爲,對同一任務進行理想的模擬,可以在 2.5 天之內在經典系統上完成,並且保真度更高。實際上,這是一個保守的、最壞情況下的估計,並且我們期望通過進一步的改進,可以進一步降低模擬的成本。

因爲約翰·普雷斯基爾(John Preskill)在 2012 年提出的「量子霸權」一詞的原始含義是描述量子計算機可以完成經典計算機無法做到的事情,所以這個界限還沒有達到。

這種特殊的「量子霸權」概念是建立在執行一個隨機的量子電路的基礎上的,這個電路的大小對於任何可用的經典計算機的模擬都是不可行的。

具體來說,論文展示了一個在 53 量子位量子處理器上的計算實驗,該處理器實現了一個令人印象深刻的超大型雙量子位量子電路,深度爲 20,有 430 個二量子位和 1,113 個單量子位門,預測總保真度爲 0.2%。

他們對 10,000 年的經典模擬估計是基於以下觀察 : 在 schrodinger 類型的模擬中,存儲完整狀態向量的 RAM 內存需求將是不可接受的,因此需要使用 Schrodinger-Feynman 模擬來權衡空間和時間。

「量子霸權」的概念展示了量子計算機特有的資源,如直接訪問糾纏和疊加。然而,經典計算機有自己的資源,比如存儲器的層次結構和硬件中的高精度計算,各種軟件資產以及廣泛的算法知識庫,在將量子與經典進行比較時,利用所有這些功能非常重要。

在與經典方法進行比較時,他們使用了一種先進的模擬方法,該方法利用了並行性、快速且無錯誤的計算和大的聚合 RAM,但是沒有充分考慮大量的磁盤存儲。相比之下,我們的 schrodinger 風格的經典仿真方法同時使用 RAM 和硬盤空間來存儲和操作狀態向量。

我們的模擬方法採用的性能增強技術包括電路劃分,張量收縮遞延,門聚合和批處理,集體通信的精心編排以及衆所周知的優化方法(例如緩存塊和雙緩衝)以使通信遍歷重疊在混合節點的 CPU 和 GPU 組件之間進行計算。

0 (7).jpg圖 1. 分析「 Google Sycamore Circuits」的預期經典計算運行時間與電路深度的關係。底線(藍色)估計了一個 53 量子位處理器的經典運行時間(電路深度爲 20 時爲 2.5 天),而上排(橙色)則估計了一個 54 量子位處理器的運行時間

我們的模擬方法具有許多不錯的特性,這些特性不會直接從經典世界轉移到量子世界。例如,一旦經過經典計算,就可以任意多次訪問完整狀態向量。我們的模擬方法的運行時間與電路深度大致成線性比例關係(請參見上面的圖 1),由於相干時間有限,因此沒有任何限制。

新的更好的經典硬件,更有效地利用經典硬件的代碼優化,不用說利用 GPU-direct 通信來運行有趣的高級模擬的潛力,可以極大地加速我們的模擬。

建立量子系統是科學和工程的壯舉,對它們進行基準測試是一個巨大的挑戰。Google 的實驗很好地展示了基於超導的量子計算的進展,展示了 53 量子位設備上的最新門保真度,但它不應被視爲證明量子計算機相對於經典計算機「霸權」的證據。

衆所周知,在量子領域,我們 IBM 關注的是「量子霸權」一詞的去向。John Preskill 最近在 Quanta 雜誌上發表了一篇頗有見地的文章,討論了這個詞的起源,包括合理的辯護和對一些有爭議的方面的坦率反思。

Preskill 教授總結了公衆對這個詞的兩個主要反對意見,他解釋說,這個詞「加劇了已經被過度炒作的對量子技術現狀的報道」,而且「通過與白人至上的聯繫,引發了令人反感的政治立場」。

這兩種反對都是合理的。我們還要補充一點,「霸權」一詞正被幾乎所有人所誤解。包括一些「量子霸權的實現」及其變體的標題黨幾乎是不可抗拒,但它將不可避免地誤導公衆。

首先,正如我們在上面所爭論的那樣,根據其最嚴格的定義,這一目標尚未實現。但更重要的是,因爲量子計算機永遠不會「凌駕」於經典計算機之上,而是與它們協同工作,因爲每種計算機都有其獨特的優勢。

爲了讓量子對社會產生積極的影響,未來的任務是繼續構建和製造更強大的可編程量子計算系統,這些系統可再現、可靠地實現各種量子演示、算法和程序。這是在量子計算機中實現實際解決方案的唯一途徑。

參考鏈接

https://www.ibm.com/blogs/research/2019/10/on-quantum-supremacy/
經授權轉載自微信公衆號「圖靈 TOPIA」 ( ID:turingtopia )
谷歌博客:https://ai.googleblog.com/2019/10/quantum-supremacy-using-programmable.html
Nature 論文:https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-

來源鏈接:mp.weixin.qq.com