谷歌量子計(jì)算，曾聲稱能在 200 秒內(nèi)搞定普通超算 10000 年完成的任務(wù)。
沒想到，這個(gè)“量子優(yōu)越性”現(xiàn)在被中科院理論物理所的研究人員打破了：他們用普通 CPU，在幾小時(shí)內(nèi)完成了原本被認(rèn)為要花 1 萬年的計(jì)算，并認(rèn)為目前的量子計(jì)算機(jī)完全是可以被超越的。
ACM 計(jì)算獎(jiǎng)得主 Scott Aaronson 也認(rèn)同這個(gè)結(jié)論：
我認(rèn)為他們是對的，如果有一臺(tái)足夠強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)，他們可以在幾秒鐘內(nèi)模擬這個(gè)任務(wù)。
最近 Science 上刊登了關(guān)于這事兒的文章，一起來看看究竟發(fā)生了什么。
無法超越？優(yōu)化給你看
中國科學(xué)院理論物理研究所的張潘團(tuán)隊(duì)，發(fā)表了一篇名為《Sycamore 量子優(yōu)勢電路采樣問題的求解》的論文，展示了擊敗谷歌量子計(jì)算機(jī) Sycamore 的全過程。
針對谷歌“量子優(yōu)越性”的任務(wù)，文中提出一種新的模擬方法，即經(jīng)典算法張量網(wǎng)絡(luò)方法。要說它怎么個(gè)好法，就是可以使用許多的 GPU 并行計(jì)算。利用 512 個(gè) GPU 的計(jì)算集群，團(tuán)隊(duì)計(jì)算了 9 萬億個(gè)數(shù)字字符串中的 100 萬個(gè)輸出模式（即 53 量子比特、20 循環(huán)的量子線路采樣），這一計(jì)算過程耗費(fèi) 15 個(gè)小時(shí)。
如果把這算法用在量子計(jì)算機(jī)上，幾十秒就可以完成相同任務(wù)。這個(gè)任務(wù)如果給 Sycamore 做，用時(shí)約在 200 秒內(nèi)；超級(jí)計(jì)算機(jī)則需要 10000 年才能完成（谷歌是這么說的）。
△ 谷歌量子計(jì)算芯片，就一張郵票大小
團(tuán)隊(duì)還秉承著一個(gè)觀點(diǎn)，那就是和 Sycamore 一樣，不需要過分追求精確。團(tuán)隊(duì)用張量來表示量子比特屬性之間的關(guān)系，把 Sycamore 量子比特的相互作用描述為 3D 張量網(wǎng)絡(luò)。
所以，他們在 3D 張量網(wǎng)絡(luò)上“鉆孔挖洞”，削減一些連接來簡化關(guān)系，減小計(jì)算復(fù)雜度，以準(zhǔn)確性換速度。這種收縮張量網(wǎng)絡(luò)的方法，讓模擬量子芯片成為可能。
數(shù)據(jù)證明，完成任務(wù)過程中，僅丟失 8 行代碼，計(jì)算速度就提高了 256 倍。且保真度保持在 0.37%，高于 Sycamore 的 0.2%。種種數(shù)據(jù)擺在眼前，“量子優(yōu)越性”突然就沒那么香了。
“量子優(yōu)越性”擂臺(tái)，搭起來
面對這個(gè)結(jié)果，谷歌量子 AI 首席研究員 Sergio Boixo 回應(yīng)認(rèn)為，這只是在賽道上短暫超車，優(yōu)勢不會(huì)持續(xù)太久的。從量子計(jì)算時(shí)代剛開啟時(shí)，谷歌就沒否定過經(jīng)典算法會(huì)持續(xù)改進(jìn)完善這一點(diǎn)。
不過，谷歌也表示：
我們認(rèn)為這種經(jīng)典算法無法在 2022 年以后跟上量子電路的步伐。
畢竟 Sycamore 誕生時(shí)，超級(jí)計(jì)算機(jī)只能對它所執(zhí)行的任務(wù)望而卻步。創(chuàng)造量子計(jì)算機(jī)出來，就是執(zhí)行那些計(jì)算量會(huì)“淹沒”普通計(jì)算機(jī)的任務(wù)。
對于量子計(jì)算機(jī)來說，所有任務(wù)的潛在解決方案都可以被看做是同時(shí)在量子比特之間晃動(dòng)的量子波。這些量子波互相干擾，錯(cuò)誤答案會(huì)相互抵消，正確的輸出就會(huì)“彈”出來。
換句說話，這種干擾讓量子計(jì)算機(jī)能夠拆分需要計(jì)算的大量數(shù)據(jù)。
拿 Sycamore 來說，它把量子比特設(shè)置為 0、1 或者 0 和 1 的任意組合，這讓它能夠同時(shí)處理大量輸入。
Sycamore 是一臺(tái) 53 量子比特的量子計(jì)算機(jī)，它的量子電路是由超導(dǎo)金屬制成的微型諧振電路，能編碼從 0 到 253（約 9 萬億）間的任何數(shù)字，甚至可以一次編碼所有數(shù)字。
谷歌表示，Sycamore 可以打敗 IBM 開發(fā)的超級(jí)計(jì)算機(jī) Summit。Summit 擁有 9216 個(gè) CPU 和 27648 個(gè) GPU。
IBM 當(dāng)即給予反駁，說谷歌所謂相同任務(wù)超級(jí)計(jì)算機(jī)需要用時(shí)的“10000 年”，只是在特定算法上。一旦算法優(yōu)化，只需約 2.5 天，Summit 就搞得定相同任務(wù)。
關(guān)于“量子優(yōu)越性”，業(yè)界、學(xué)界的爭論從未停止。張潘團(tuán)隊(duì)的這篇論文，就是用實(shí)例證明了“量子優(yōu)越性”現(xiàn)階段還是可以被普通計(jì)算機(jī)打敗的。
One More Thing
張潘團(tuán)隊(duì)的研究成果凸顯了量子計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相比存在的缺陷，這對更領(lǐng)先的“量子優(yōu)越性”實(shí)驗(yàn)提出了更高要求。張潘提出，應(yīng)該找到一些可以落地的實(shí)際應(yīng)用來展現(xiàn)量子電路的優(yōu)勢。
當(dāng)然，普通計(jì)算機(jī)打敗“量子優(yōu)越性”并不意味著量子電路的式微。哪怕是與超級(jí)計(jì)算機(jī)相比，Sycamore 的操作步驟和所需功率都要少得多。就連張潘自己都說，如果 Sycamore 保真度再高一點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)的模擬就比不過了~
參考文章：
[1]https://www.science.org/content/article/ordinary-computers-can-beat-google-s-quantum-computer-after-all?s=31
[2]https://www.science.org/doi/10.1126/science.365.6460.1364
[3]https://arxiv.org/pdf/2111.03011.pdf
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