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谷歌的量子技术里程碑让科学家们兴奋不已,也刺激了竞争对手

2019-11-29 17:22:52 来源:IEEE电气电子工程师学会

【大比特导读】谷歌的量子霸权演示是一项由硅谷基金资助的大型物理实验。

如今,量子计算似乎已经成为大企业的领域,谷歌、IBM和英特尔等科技巨头正在开发量子技术硬件。尽管竞争对手对谷歌宣布显示量子计算比最强大的超级计算机更具优势做出了反应,但科学家们还是欢迎这一演示,认为它为支持量子物理学的理论研究提供了重要的实验证据。

量子计算

谷歌的量子优势演示展示了其“梧桐树(Sycamore)”设备如何正确验证随机数发生器的量子等效采样结果。在谷歌的量子计算设备上,这项小众的计算任务只需要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一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。但它们最直接的利益是科学性的;对商业机会的阴谋会走得更远。

加州大学伯克利分校伯克利量子计算中心联合主任、计算机科学家UmeshVazirani说:“这不仅仅是实现可伸缩量子计算机的一个里程碑。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确定粒子在宇宙的最小尺度上的行为,科学家和工程师已经找到了如何在量子比特中编码信息,量子比特可以存在于许多不同的可能状态,而不是现代计算的二进制比特。这可以使量子计算设备比现在使用的“经典计算机”更快地执行某些计算操作。正如2019年10月23日出版的《自然》杂志所详述的那样,谷歌的量子优势实验似乎已经决定性地证明了这种“指数加速”优势。

当然,谷歌、IBM、英特尔等公司并不是纯粹为了科学发现而开发量子技术。但他们对量子计算商业可能性的兴趣,帮助创造了Vazirani所说的量子信息科学的“加速时间表”,因为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。大学也同样加强了量子计划,投入了更多的资源,并扩大了实验研究小组的数量。

各国政府也开始向相关项目投入数十亿纳税人的资金,目的是为了国家安全和创新利用量子计算和量子科学。对美国和中国等国家来说,对量子技术的投资有助于巩固技术领先地位或跨越竞争对手的传统技术优势。考虑到竞争激烈的全球形势,很容易理解为什么即使是美国总统的一个家庭成员也会公开庆祝谷歌的量子优势演示,即使研究人员刚刚开始仔细审查结果。

Vazirani说:“对于这样的事情,我们必须在判决前对其进行一段时间的评估。这可能是一大步,也可能是一小步,但在更大的计划中,重要的是这是第一步。”

谷歌如何建立量子技术

谷歌量子霸主地位的成功,虽然是初步的,但来自一个名为“梧桐树”的54个量子位元阵列,该阵列使用超导金属环制成的量子位元,在零下温度下保持冷却。但创造一台实用的量子计算机不仅仅是把尽可能多的量子位塞进一个设备。研究人员还必须确保量子比特能够保持相互耦合,并保持其脆弱的量子态足够长的时间来执行有用的计算。

该公司最初有两个团队在54位Sycamore和一个更大的72位设备上并行工作,这两个设备被称为Bristlecone,但是一个新的可调节耦合器可以帮助相邻的Qbits保持连接,它在Sycamore的设计中被证明是如此成功,以至于谷歌的研究人员很快决定将重点放在这个设备上。这一决定为6月份的梧桐量子霸权演示铺平了道路。

总部位于加州圣巴巴拉的谷歌量子人工智能团队的量子硬件首席科学家JohnMartinis近日在记者招待会上说:“因为你可以用梧桐树构建一个可调耦合器,我们认为使用它会有巨大的优势。”

由于谷歌在2018年12月测试期间发现的一条无法正常工作的控制线,梧桐树设备上的一个量子位停止运行。但研究小组意识到,他们可以在53个功能量子位的基础上进行量子至上实验。

到了量子至上演示的时候,其轻而易举地在200秒内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10000年的时间,这台由IBM开发的Summit超级计算机位于田纳西州橡树岭国家实验室。

量子计算竞争对手的反应

由于该研究论文的初稿过早泄露,许多量子计算社区已经对谷歌的量子霸权演示热了几个星期。就在谷歌正式宣布这一消息的前几天,IBM上传了一篇论文,声称这台Summit超级计算机可以在2.5天内完成量子电路的采样,而不是数千年。

为了让超级计算机在与量子计算设备的匹配方面得到提升,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中,而不是仅仅依赖主RAM(随机存取存储器)存储。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,这给人一种误导的印象,即量子计算机终有一天将取代所有经典计算机。

尽管IBM对谷歌的量子霸主地位提出质疑,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,梧桐树设备200秒的性能时间仍然代表着显著的加速。(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,作为更广泛的研究群体验证其成果的努力的一部分。)

另一个量子计算竞争对手英特尔(Intel)发布了一份更为祝贺的新闻稿,赞扬了谷歌的量子优势展示。但英特尔也借此机会提出,在扩大量子计算设备规模时,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具优势。与谷歌不同,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。

一个更间接的回应来自一个中国研究团队,他们上传了自己的论文,以配合谷歌的量子霸主声明。中国的实验似乎展示了另一种可能的途径,即利用基于光子粒子相互作用和测量的“玻色子取样”方法实现量子霸权。

德克萨斯大学奥斯汀分校量子信息中心主任ScottAaronson)在一篇关于谷歌演示和各种回应的博客文章中说,在所有竞争性量子计算努力中取得的任何进展,对整个领域来说都是好消息。毕竟,没有一个研究小组展示了一个完全纠错和容错的量子计算机,这是下一个重要里程碑之一,也将有助于实现真正实用的量子计算。

建立在量子霸权之上

谷歌已经将目光投向了下一个里程碑,因为它的梧桐树设备被设计成集成了错误纠正技术,如表面代码。在接下来的一年里,谷歌的团队计划这次使用同样的梧桐树设备架构进行另一个量子霸权实验,演示对单个量子比特和两个量子比特错误的纠错。

Martinis说:“我们非常兴奋,因为我们在这里(取得的)成就,是(到起跑线)进行纠错实验的绝大部分途径。”

另一个里程碑是在未来几年演示1000个量子位设备的纠错。这仍然低于量子计算潜在破解保护计算机安全和互联网的复杂数字代码所需的1亿物理量子比特的估计值。但是,Martinis说,“在我们看来,我们有时间考虑这个问题。”

谷歌已经在实验室里制造了几款梧桐量子处理器,并表示相信它有一个可靠的过程,可以在梧桐之外制造更多的量子计算设备。该公司还计划从2020年开始让谷歌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。它还表示,随后将向外部研究人员提供类似的量子计算服务。

谷歌团队表示,他们计划调查ScottAaronson最近提出的假设,即这种类型的随机量子电路可以实现经认证的随机协议。这种协议可能被证明对加密货币和其他加密应用程序有用。

但是其他独立的研究人员对随机量子电路的应用仍然比较谨慎。Kuperberg称自己“对量子霸权测试在现实世界中的应用持怀疑态度”,并将量子霸权的里程碑比作在绳子上放了一只令人印象深刻的风筝。在他看来,开始问风筝是可以运送包裹,还是可以运送人类乘客,似乎有些奇怪。

“有很多方法可以证明现实世界中的随机性,我一点也不认为这个世界需要这种非常奇特的认证,”Kuperberg说。“不过,我在这方面可能是错的,我尊重经认证的随机性作为讨论的主题。”

目前,许多学术研究人员预计将花时间深入研究谷歌的63页论文补充,其中包含量子霸权实验的许多技术细节。他们还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际操作时间。这些步骤可以将整个领域从理论工作转移到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AramHarrow说:“谷歌的超级计算工作做得非常好,他们投入了大量资源。这是有回报的,但并不意味着比赛结束了。”

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