10月28日消息，據(jù)外媒報道，谷歌不久前宣稱成功實現(xiàn)了“量子霸權”(Quantum Supremacy)，推出包含53個有效量子比特的處理器Sycamore，“對一個量子電路產(chǎn)生的隨機數(shù)字采樣100萬次”的計算任務，谷歌量子計算機只需要200秒，而世界最強超算Summit需要1萬年。為了證明谷歌量子計算機到底有多神奇，科技記者尼爾·薩維奇（Neil Savage）日前親自操作體驗了一把，并稱就像變魔術。
記者親身感受：量子計算機哪里不同
在谷歌位于美國加州戈萊塔(Goleta)類似車庫的實驗室里，我站在巨大的觸摸屏前，用手指在顯示屏上移動包含X、Y、H和其他神秘符號的小方塊。這些方塊代表的是可以在一個量子比特上執(zhí)行的函數(shù)，而量子比特則位于附近的銀色大圓柱體內(nèi)。在無數(shù)函數(shù)中，有些會使比特從1翻轉(zhuǎn)到0，或從0翻轉(zhuǎn)到1。
顯示屏上的另一個正方形顯示了量子比特的狀態(tài)，它看起來像是在球體內(nèi)的棒棒糖。當“棒棒糖”移動時，它旁邊的數(shù)字在1.0000到0.0000之間振蕩。這是量子比特的強項之一：它們不必像二進制位中那樣要么是1要么是0，而是可以在介于兩者之間的狀態(tài)存在。這種“疊加”特性允許每個量子比特一次不止執(zhí)行一次計算，而是以一種看起來特別神奇的方式加速計算。
盡管量子比特的最終讀數(shù)依然是1或0，但所有這些中間步驟的存在意味著傳統(tǒng)計算機很難或不可能進行類似的計算。對于外行人來說，這個過程可能看起來有點兒像魔術，揮揮手、輕觸觸摸屏，然后從量子帽中拉出一只兔子。谷歌邀請我和其他記者來到這里，旨在揭開這個魔術的神秘面紗，以證明它根本不具有魔力。
在屏幕的右半部分，曲折的線條顯示與在量子比特上執(zhí)行的函數(shù)相對應的波形。在這個部分的旁邊是個臺式打印機大小的盒子，它將這些波形作為電脈沖通過電線發(fā)送到銀色圓柱體中。如果圓柱體打開，你會看到里面有六層腔室，層層排列，就像用金屬絲裝飾的、顛倒過來的婚禮蛋糕。每層腔室都被冷卻到比其上面腔室溫度低得多的程度；最下面一層達到0.015開氏度(-273.135攝氏度)，幾乎僅是外層空間的1/200。
這些腔室都是真空的，不受光和熱的影響，否則會破壞微妙的量子比特，這些量子比特位于所有導線末端的芯片上，在黑暗和寒冷中被隔離。每個量子比特的直徑約為0.2毫米，通過普通顯微鏡可以看到。但是經(jīng)過冷凍和避過外部影響后，每個量子比特都變成了超導體，讓電子自由流動，就好像它成了單原子，可以用量子力學定律決定其行為。
強度適當?shù)奈⒉}沖促使量子比特振動。當兩個相鄰的量子比特達到相同的共振頻率時，它們就會相互糾纏，這是另一種量子力學屬性，這意味著測量一個量子比特的狀態(tài)也會讓你了解另一個量子比特的狀態(tài)。不同頻率的電磁脈沖會引起量子比特翻轉(zhuǎn)。
各方評論：“量子霸權”有意義嗎？
谷歌的量子軟件工程師克雷格·吉德尼(Craig Gidney)表示，“量子計算機更像是裝有一串鐘擺的盒子。我和其他在腔室外發(fā)送信號的人正在拉動鐘擺的弦，通過改變它們的擺動幅度來執(zhí)行不同的邏輯運算?！?/p>
谷歌的量子團隊稱，所有這些寒冷和振動讓其獲得了量子霸權，讓量子計算機可以做普通計算機無法做到的事情。在本周發(fā)表在《自然》雜志上的論文中，谷歌工程師描述了他們用來證明量子霸權的基準實驗。他們的程序運行在50多個量子比特上，檢查量子隨機數(shù)發(fā)生器的輸出。
谷歌量子人工智能實驗室經(jīng)理哈特穆特·奈文(Hartmut Neven)說，有些批評人士抱怨這是個人為問題，只適用于有限的現(xiàn)實應用程序。對此，奈文反駁稱：“Sputnik（人類第一顆人造衛(wèi)星）也沒有太多實際用途，它只是繞著地球旋轉(zhuǎn)。然而，它代表著太空時代的開始！”
芝加哥大學專注于量子信息工程的凝聚態(tài)物理學家戴維·奧沙洛姆(David Awschalom)沒有參與這項研究，但他同意谷歌項目解決了一個非常特殊的問題，并補充說，谷歌不能聲稱自己擁有了通用量子計算機。他說，通用量子計算機可能需要100萬個量子位元，而且還需要很多年才能實現(xiàn)。但他相信，谷歌的團隊已經(jīng)實現(xiàn)了重要的里程碑，為其他科學家取得突破奠定了基礎。
谷歌的量子計算芯片被稱為Sycamore，使用了53個量子比特來實現(xiàn)其結(jié)果，芯片上第54個量子比特出現(xiàn)了故障。Sycamore的目標是隨機產(chǎn)生1和0的字符串，每個量子比特可產(chǎn)生253比特字符串(也就是大約9.700199254740992千萬億位字符串)。由于量子位相互作用的方式，有些字符串比其他字符串更有可能出現(xiàn)。
Sycamore運行數(shù)字生成器100萬次，然后對結(jié)果進行采樣，得出任何給定字符串出現(xiàn)的概率。谷歌團隊還在橡樹嶺國家實驗室的超級計算機Summit上運行了一個更簡單的測試版本，然后根據(jù)這些結(jié)果進行外推，以驗證Sycamore的輸出。新的芯片在200秒內(nèi)完成了任務。研究人員估計，同樣的運算需要花費Summit上萬年的時間。
然而，IBM的研究人員上周早些時候發(fā)表論文，稱在理想條件下，使用額外的內(nèi)存存儲，Summit可以在兩天半內(nèi)完成上述任務。IBM也在致力于開發(fā)量子計算，該公司科學家們在IBM Research博客上寫道：“因為加州理工學院理論物理學家約翰·普雷斯基爾(John Preskill)在2012年提出的‘量子霸權’這個術語的最初含義，是為了描述量子計算機可以做經(jīng)典計算機無法做到的事情，顯然谷歌量子計算機還沒有邁過這個門檻?！币虼?，也許谷歌取得的成就可以貼上“量子優(yōu)勢”的標簽。
但德克薩斯大學奧斯汀分校理論計算機科學家斯科特·阿隆森(Scott Aaronson)表示，說量子霸權尚未實現(xiàn)并不完全正確，畢竟Sycamore的速度比Summit快得多。隨著谷歌系統(tǒng)中量子比特數(shù)量的增長，其計算能力將呈指數(shù)級增長。從53個量子比特增加到60個量子比特將使該公司量子計算機的計算能力相當于33臺Summit。在達到70個量子比特時，類似Summit的傳統(tǒng)超級計算機可能要變得與城市大小相當才能擁有同樣的處理能力。
阿隆森還表示，谷歌所取得的成就可能已經(jīng)有了些意想不到的實用價值。谷歌的系統(tǒng)可以用來產(chǎn)生被量子物理定律證實為隨機的數(shù)字。例如，該應用程序可能會產(chǎn)生比人類或傳統(tǒng)計算機所能提供的密碼強得多的密碼。
阿隆森承認：“我現(xiàn)在不確定，爭論它是不是取得了‘霸權’是否正確?！彼f，量子計算領域尚未就比較不同量子計算機的最佳方式達成一致，特別是那些建立在不同技術上的量子計算機。盡管IBM和谷歌都在使用超導體來創(chuàng)建它們的量子比特，但另一種方法依賴于捕獲離子，即帶電原子懸浮在真空中，并由激光束操縱。IBM提出了一種稱為“量子體積”的度量標準，其中包括諸如量子比特執(zhí)行計算的速度以及它們避免或糾正錯誤的能力等因素。
谷歌還要解決哪些問題？
事實上，糾錯是量子計算機科學家必須掌握的，這樣他們才能制造出真正有用的設備，特別是包含數(shù)千個量子比特的設備。研究人員說，到那時，機器可以對化學反應進行詳細的模擬，這可能會促使新的藥物或更好的太陽能電池出現(xiàn)。而且他們還可以快速破解最常用于保護互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的密碼。
不過，要想達到這種性能，量子計算機必須能夠自我糾正，找到并修復其操作中的錯誤。當一個量子比特自發(fā)地從1翻轉(zhuǎn)到0，或者當它的量子疊加由于外部世界的干擾而衰減時，就會出現(xiàn)錯誤。谷歌的量子比特目前在衰變前持續(xù)約10微秒。項目研究人員瑪麗莎·朱斯蒂娜(Marissa Giustina)說：“它們的壽命是有限的。它們非常脆弱，當與周圍環(huán)境相互作用時，我們可能就會失去量子信息?！?/p>
傳統(tǒng)計算機通過冗余來解決糾錯問題，通過測量電容器中的單個電子而不是數(shù)萬個電子來決定數(shù)字位是開還是關。相反，量子比特本質(zhì)上是概率問題，所以試圖將它們聚集在一起執(zhí)行批量測量是行不通的。谷歌正在開發(fā)一種統(tǒng)計方法來糾正錯誤，加州大學圣巴巴拉分校物理學家約翰·馬蒂尼斯(John Martinis)與該公司合作開發(fā)了Sycamore。他表示，到目前為止，初步結(jié)果顯示，沒有任何跡象表明錯誤糾正變得越來越好?？雌饋恚@個項目還會繼續(xù)下去。
與此同時，谷歌的工程師將致力于改進他們的量子比特，以產(chǎn)生更少的錯誤，這也可能允許更多的量子比特相互關聯(lián)。他們還希望縮小鏈子計算機的控制箱體積，每個控制箱可以處理20個量子比特及其相關電路，因此需要三個控制箱才能運行Sycamore的53個量子比特。如果他們的系統(tǒng)增長到大約1000個量子比特，其冷卻需求將超過那些巨大銀色圓柱體的容量。
在谷歌從事量子硬件和架構工作的朱利安·凱利(Julian Kelly)表示，該公司的聲明首先是一項工程成就，但它可能會開辟一片未開發(fā)的領域。他說：“我們已經(jīng)證明了量子硬件可以做些極其困難的事情，我們正在以前沒有人能夠進行實驗的領域開展業(yè)務。不過，這種進步產(chǎn)生的影響還不確定，畢竟我們也才剛剛邁入這道門檻兒?！?/p>
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