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量子霸权实现了吗?谷歌的“一万年太久”IBM的“只争朝夕”和中国百舸争流” 袁岚峰

来源:007彩票-007彩票官网-007彩票app-007彩票下载作者:007彩票-007彩票官网-007彩票app-007彩票下载 日期:2020-02-27 10:40:44 浏览:61

  原标题:量子霸权实现了吗?谷歌的“一万年太久”,IBM的“只争朝夕”,和中国的“百舸争流” 袁岚峰

  谷歌:量子计算机的200秒相当于传统计算机的一万年。IBM:改进一下算法,就能把传统计算机花费的时间缩短到两天半。科大:对于玻色子取样,我也快实现量子霸权了。所以现在是:谷歌说:“一万年太久!”IBM说:“只争朝夕!”中国说:“水能载舟,亦可赛艇!”

  最近,关于“量子霸权”的新闻出现了白热化的场面:谷歌宣称自己实现了量子霸权,而IBM对此表示否定。这是怎么回事呢?

  只要理解了“量子霸权”的背景知识,就不难明白了。背景知识见我不久前的文章()。基本的要点是:

  量子计算机可以远远超过传统计算机,是因为它们的基本原理不一样。传统计算机的基本单元是比特,即一个体系有且仅有两个可能的状态,好比一个开关。而量子计算机的基本单元是量子比特,它好比一个旋钮。

  一个比特只有两个状态,一个量子比特却有无穷多个状态。因此,量子计算机有可能做到传统计算机做不到的事。特别值得注意的是,量子计算机并不是干什么都特别快,而是只对于某些特定的问题才特别快。

  量子计算是当今最热的研究领域之一,各国的政府和企业都在大量地投资。谷歌和IBM是两个领头羊,因此双方激烈碰撞很正常。

  按照2019年10月23日谷歌在《自然》杂志的论文()宣称的,是第一次对某个问题,量子计算机超越了目前最强的超级计算机。

  谷歌造了一个包含53个量子比特的芯片,对这些量子比特进行随机的操作,会产生各种由0和1组成的字符串,总共有2的53次方个。由于这些量子比特之间的纠缠,其中一些字符串出现的概率应该比另一些大。要处理的问题,就是检验是不是真的出现这样的分布。

  很容易理解,这个任务天生就适合量子计算机,不适合传统计算机,好比在打擂台时挑了一个对某一方最有利的场地。你如果愿意的话,当然可以说它胜之不武。而且,这个问题目前也没有实用价值。但无论如何,能够实现量子计算机超越超级计算机的演示,意义总是重大的,就像莱特兄弟的飞机首飞()。

  具体而言,这台量子计算机花了200秒对一个量子线路取样一百万次,而现有的最强的超级计算机完成同样的任务需要一万年。200秒对一万年,如果这是双方的最佳表现,那么确实是压倒性的优势。

  谷歌论文图4对量子霸权的演示,注意最右边黑色箭头上方的一万年与中缝中的200秒的对比

  现在问题来了。IBM跳出来说(),传统计算机并没有谷歌认为的这么弱,——我还能抢救一下!IBM给出了一个改进的算法,一下子把传统计算机花费的时间从一万年缩短到了两天半。

  两天半虽然还是比200秒长很多,但毕竟是可以实现的了。这样一来,就大大冲淡了谷歌成果的意义。

  IBM为什么能改进传统算法呢?因为谷歌的算法只用到了内存,IBM指出:别忘了世界上有个东西叫做“硬盘”啊!把一部分数据放到硬盘上,通过适当的任务划分,就可以用空间换时间。

  这实在是个很简单的思路,一说出来大家都能理解。因此,谷歌免不了“故意放水”的嫌疑。

  不过话说回来,按照量子霸权这个词原来的定义,只要超过传统计算机就行,那么200秒对2.5天也算是霸权了。原来谷歌还希望把传统计算机打到算不动,这个目标现在被IBM的反对推迟了。

  当然,传统计算机的算法还可以进一步优化,比如说降到1小时也不奇怪。不过同时量子计算机也在进步,所以在这个问题上,传统计算机赶上量子计算机仍然是不太可能的事。

  还有人会问:可以把地球看作一台预测地震的计算机,计算的结果就是震给你看,那么谷歌这台量子计算机跟“地球计算机”有什么区别?

  回答是:在正常的语境下,人们不会把一个体系的自然演化当作一台计算机。不过确实有一种实验是观察一个量子体系的演化,目标是用它来模拟另一个体系。这种实验叫做量子仿真,可以非常高效,但只能干这一件事,所以也被称为专用的量子计算机。谷歌这台量子计算机是一台通用的量子计算机,在原则上可以干任何事情,也就是说,它是可以编程的。专用的量子计算机超过传统计算机,是早就有的,不足为奇。现在大家关心的,是通用的量子计算机能不能超过传统计算机。

  最后,在《自然》杂志发表谷歌论文的前一天(2019年10月22日),中国科学技术大学的潘建伟和陆朝阳等人在论文预印本网站arXiv上传了一篇文章 《用20个输入光子在60模干涉仪中实现10的14次方态空间的玻色子取样》(“Boson sampling with 20 input photons in 60-mode interferometers at 1014 state spaces”,链接)。这个工作也是在对某个特定问题寻求实现量子霸权,这个问题叫做“玻色子取样”。

  态空间的大小,就是总的状态的数量。谷歌论文中的态空间大小是2的53次方,约等于10的16次方,即一亿亿。潘建伟与陆朝阳等人论文中的态空间大小约为10的14次方,即一百万亿,比以前的同类实验增大了10个量级,但还不如谷歌的。因此目前他们还没有实现量子霸权,他们用光子做到的玻色子取样,用超级计算机可以在几个小时内完全检验。

  在实现量子计算的道路上,我们需要探索所有可能的途径。无论是谷歌,还是IBM,还是科大,各个机构和国家的百舸争流,是这个领域蓬勃进步的最好景象!

  背景简介:本文作者袁岚峰,中国科学技术大学化学博士,中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员,科技与战略风云学会会长,青年科学家社会责任联盟理事,中国无神论学会理事,安徽省科学技术协会常务委员,微博@中科大胡不归,知乎@袁岚峰()。返回搜狐,查看更多