谷歌量子计算机问世,称已实现“量子霸权”?

本文来自微信公众号:新智元(ID:AI_era),来源:Nature、Google AI,原文标题:《77 位作者!谷歌量子霸权论文正式登上Nature,54比特量子计算机将向学界开放》,头图来自视觉中国

上个月,谷歌声称实现 “量子霸权” 的新闻沸沸扬扬:谷歌打造出第一台能够超越当今最强大的超级计算机能力的量子计算机!

该量子系统只用了 200 秒完成一个计算,而同样的计算用当今最强大的超级计算机 Summit 执行,需要约 10000 年。

谷歌的论文一开始在 NASA 网站上发布,但不久被悄悄删除。

今天,谷歌 “量子霸权” 论文终于以封面重磅的形式在 Nature 正式发表!

谷歌量子计算机问世,称已实现“量子霸权”?

77 位作者合作的重磅论文《使用可编程超导处理器达到的量子霸权》(Quantum supremacy using a programmable superconducting processor),为我们揭开了谷歌 “量子霸权” 实验的全貌。

谷歌量子计算机问世,称已实现“量子霸权”?

论文地址:

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5.pdf

Nature 同时还发表一篇 “新闻与观点” 文章,称这一成就是量子计算的重大里程碑事件。

谷歌量子计算机问世,称已实现“量子霸权”?

谷歌CEO Sundar Pichai

量子计算的一个目标是以指数级倍数超过传统经典计算机的速度执行特定计算任务。实现这一目标需要克服许多挑战,比如在产生较大计算空间的同时保证计算错误率低,以及设计一种经典计算机难以处理,但量子计算机可以轻松完成的基准测试。

论文通讯作者 John Martinis 和同事描述了实现量子霸权所取得的技术进展。他们研制了一台由 54 个量子比特组成的处理器 (名为 Sycamore 处理器),该处理器利用量子叠加和量子纠缠实现的计算空间与经典比特所能达到的相比,实现了指数级的增加。由于有 1 个量子比特无法有效工作,处理器实际只用了 53 个量子比特。

谷歌量子计算机问世,称已实现“量子霸权”?

研究团队开发的纠错流程可以保证较高的运算保真度 (高达 99.99%)。为了测试该系统,团队设计了一项对量子电路产生的随机数字进行采样的任务。对于经典计算机来说,这一任务的难度会随量子电路中量子比特数的增加而增加。最后,量子处理器在 200 秒左右的时间内从量子电路中采集了 100 万个样本,而当今最强大的超级计算机大约需要 1 万年的时间才能完成这一任务。

Nature 评论文章表示,谷歌的这一成就是 “对世界领先的超级计算机…… 实现量子霸权无疑是一项了不起的成就”。但文章也指出,在量子计算机投入实际应用前还需开展更多工作,比如实现可持续的容错运算。

然而,针对谷歌“量子霸权”事件的批判和质疑也随之而至。就在Nature论文发表的前一天,IBM 研究人员发文称,谷歌并未充分利用超级计算机的存储潜力,所以上述说法可能站不住脚。

谷歌量子计算机问世,称已实现“量子霸权”?

IBM 团队写道: “在一个经典的系统上,同样的任务的理想模拟可以在 2.5 天内完成,而且保真度要高得多。”“这实际上是一个保守的、最坏情况的估计,我们预计,随着进一步的改进,模拟的成本可以进一步降低。”

美国路易斯安那州立大学教授乔纳森・道林(Jonathan Dowling)说,目前,IBM 似乎有一些优势。谷歌选择了一个他们认为在经典机器上很难解决的问题,但现在 IBM 已证明这个问题没有谷歌想象的那么难。

这意味着谷歌实际上并没有表现出量子霸权,而且竞争仍在继续。谷歌对此并未立即回复。

登上Nature封面重磅,谷歌“量子霸权”实验完全解读

30 多年来,物理学家一直在谈论量子计算的力量,但一直存在的问题是:它是否能做一些有用的事情,是否值得投资?

对于如此大规模的工程,制定决定性的短期目标来明设计是否朝着正确的方向发展是很好的工程实践。因此,我们设计了一个实验作为一个重要的里程碑,以帮助回答这些问题。

这个实验被称为 “量子霸权实验”(quantum supremacy experiment),它为我们的团队克服量子系统工程中固有的许多技术挑战提供了方向,从而研制出既可编程、又功能强大的计算机。

为了测试整个系统的性能,我们选择了一个敏感的计算基准,如果计算机的单个组件不够好,这个基准就会失败。

今天,我们在《自然》杂志发表的文章《使用可编程超导处理器达到的量子霸权》中发表了量子霸权实验的结果。

为了进行基准测试,我们开发了一个全新的 54 量子比特处理器,名为 “Sycamore”,它由快速、高保真的量子逻辑门组成。

我们的处理器在 200 秒内完成了目标计算,根据实验中的测量结果,我们断定,世界上最快的超级计算机需要 10000 年才能产生类似的结果。

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左:挂在低温恒温器上的 Sycamore 处理器的艺术再现。右:Sycamore 处理器的照片。

量子霸权实验

为了了解这个基准测试是如何工作的,请想象一下,热情的量子计算新手访问我们的实验室,为了在我们的新处理器上运行一个量子算法。他们可以从一个基本门操作的小字典中组成算法。由于每个门都有出错的可能性,我们的客人会希望将自己限制在一个适当的序列中,总共有大约 1000 个门。假设这些程序员之前没有经验,他们可能会创建一个本质上看起来像门随机序列的东西,可以将其视为量子计算机的 “hello world” 程序。由于在随机电路中没有经典算法可以利用的结构,因此,经典超级计算机模拟这样的量子电路通常需要花费大量的努力。

在量子计算机上,随机量子电路的每次运行都会产生一个位串 (bitstring),例如 0000101。由于量子干涉 (quantum interference),当我们多次重复实验时,某些位串会比其他位串更容易出现。然而,随着量子比特的数量 (宽度) 和栅极周期 (深度) 的增加,在经典计算机上为随机量子电路寻找最有可能的位串变得更加困难。

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证明量子霸权的过程

在实验中,我们首先运行 12 到 53 个量子比特的随机简化电路,并保持电路深度不变。我们使用经典模拟来检验量子计算机的性能,并与理论模型进行比较。一旦我们证实系统工作正常后,我们就运行 53 个量子比特、且不断增加深度的随机硬电路,直到达到经典模拟变得不可行的程度。

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根据 Schrödinger-Feynman 算法的量子比特数和周期数来估计量子霸权电路的验证时间。红色的星星表示实验电路的估计验证时间。

这个结果是对邱奇 - 图灵论题 (Church-Turing thesis) 的第一个实验挑战,该论题认为,经典计算机可以有效地实现任何 “合理的” 计算模型。这是无法在经典计算机上合理模拟的第一个量子计算,我们开辟了一个新的有待探索的计算领域。

54比特“量子霸权级”处理器将向学界开放提供

Sycamore 处理器

量子霸权实验是在一个名为 “Sycamore” 的完全可编程的 54 量子比特处理器上进行的。它由一个二维网格组成,其中每个量子比特与其他四个量子比特相连。因此,该芯片具有足够的连接性,使得量子比特状态可以在整个处理器中快速交互,从而使整个状态无法在传统计算机上有效地模拟。

量子霸权实验的成功是由于我们改进了具有增强并行性的双量子比特门,即使同时操作多个门,也能可靠地实现记录性能。我们使用了一种新型的控制旋钮来实现这一性能,该旋钮能够关闭相邻量子比特之间的相互作用。这大大减少了这种多连接的量子比特系统的误差。通过优化芯片设计以降低串扰,并开发新的避免量子比特缺陷的控制校准,我们进一步提高了性能。

我们在一个二维的正方形网格中设计了这个电路,每个量子比特连接到另外四个量子比特。该架构也向前兼容以实现量子误差校正。

我们认为,这个 54 量子比特的 Sycamore 处理器是一系列更强大的量子处理器中的第一个。

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热图显示了同时运行的所有单量子比特 (e1, 叉号) 和双量子比特 (e2, 方形) 的 Pauli 误差。所示布局遵循处理器上的量子比特的分布。(由《自然》杂志提供)

量子物理测试

为了确保量子计算机在未来能够实用,我们还需要验证没有来自量子力学的基本障碍。物理学在通过实验来检验理论极限方面有着悠久的历史,因为当人们开始探索以截然不同的物理参数为特征的新体系时,常常会出现新的现象。

先前的实验表明,量子力学在状态空间的维数达到 1000 左右时,能够正常工作。在这里,我们将这个测试扩展到一万万亿 (10 quadrillion) 的大小,并发现一切仍然如预期的那样工作。

我们还通过测量两个量子比特门的误差来测试基本量子理论,并发现这可以准确地预测整个量子霸权电路的基准测试结果。

这表明,没有意料之外的物理现象会降低我们的量子计算机的性能。因此,我们的实验提供了证据,表明更复杂的量子计算机应根据理论运行,并使我们对继续扩大规模充满信心。

应用领域

Sycamore 量子计算机是完全可编程的,可以运行通用的量子算法。自去年春天获得量子霸权的成果以来,我们的团队已经在研究近期的应用,包括量子物理模拟和量子化学,以及生成机器学习等领域的新应用。

下一步是什么 ?

我们的团队未来有两个主要目标,两个目标都有关在量子计算中寻找有价值的应用。

首先,未来,我们将向合作者和学术研究人员,以及对开发算法和寻找今天的 NISQ 处理器的应用程序有兴趣的公司提供我们的量子霸权级处理器。富有创造力的研究人员是创新的最重要资源 —— 既然我们有了新的计算资源,我们希望更多的研究人员进入这个领域,尝试发明一些有用的东西。

其次,我们正在投资我们的团队和技术,以尽快打造一台容错的量子计算机。这样的设备有许多有价值的应用前景。例如,我们可以设想量子计算将帮助设计新材料 —— 例如用于汽车和飞机的轻型电池,可以更有效地生产肥料的新型催化剂 (目前这个过程产生的碳排放量占全球的 2% 以上),以及开发更有效的药物。要获得必要的计算能力仍然需要多年的艰苦工程和科学工作。但我们现在清楚地看到了一条道路,我们渴望向前迈进。

IBM不服:谷歌实际上并没有表现出量子霸权

就在谷歌的Nature论文发表的前一天,IBM 研究人员发文称,谷歌并未充分利用超级计算机的存储潜力。谷歌选择了一个他们认为在经典机器上很难解决的问题,但现在 IBM 已证明这个问题没有谷歌想象的那么难,因此谷歌实际上并没有表现出量子霸权,而且竞争仍在继续。

以下是IBM发表的博客全文:(经授权转载自微信公众号“图灵TOPIA)

量子计算机已开始接近经典模拟的极限,重要的是,我们必须继续对进展进行基准测试,并了解它们的模拟难度,这是一个有趣的科学问题。

量子计算的最新进展产生了两个53量子位的处理器:一个是来自我们IBM小组的,另一个是Google泄露的论文中描述的设备。在论文中,他们认为自己的设备达到了“量子霸权”,而“一台最先进的超级计算机将需要大约1万的时间来执行相同的任务。”

我们认为,对同一任务进行理想的模拟,可以在2.5天之内在经典系统上完成,并且保真度更高。实际上,这是一个保守的、最坏情况下的估计,并且我们期望通过进一步的改进,可以进一步降低模拟的成本。

因为约翰·普雷斯基尔(John Preskill)在2012年提出的“量子霸权”一词的原始含义是描述量子计算机可以完成经典计算机无法做到的事情,所以这个界限还没有达到。

这种特殊的“量子霸权”概念是建立在执行一个随机的量子电路的基础上的,这个电路的大小对于任何可用的经典计算机的模拟都是不可行的。

具体来说,论文展示了一个在53量子位量子处理器上的计算实验,该处理器实现了一个令人印象深刻的超大型双量子位量子电路,深度为20,有430个二量子位和1,113个单量子位门,预测总保真度为0.2%。

他们对10,000年的经典模拟估计是基于以下观察:在schrodinger类型的模拟中,存储完整状态向量的RAM内存需求将是不可接受的,因此需要使用Schrodinger-Feynman模拟来权衡空间和时间。

“量子霸权”的概念展示了量子计算机特有的资源,如直接访问纠缠和叠加。然而,经典计算机有自己的资源,比如存储器的层次结构和硬件中的高精度计算,各种软件资产以及广泛的算法知识库,在将量子与经典进行比较时,利用所有这些功能非常重要。

在与经典方法进行比较时,他们使用了一种先进的模拟方法,该方法利用了并行性、快速且无错误的计算和大的聚合RAM,但是没有充分考虑大量的磁盘存储。相比之下,我们的schrodinger风格的经典仿真方法同时使用RAM和硬盘空间来存储和操作状态向量。

我们的模拟方法采用的性能增强技术包括电路划分,张量收缩递延,门聚合和批处理,集体通信的精心编排以及众所周知的优化方法(例如缓存块和双缓冲)以使通信遍历重叠在混合节点的CPU和GPU组件之间进行计算。

谷歌量子计算机问世,称已实现“量子霸权”?

图1.分析“ Google Sycamore Circuits”的预期经典计算运行时间与电路深度的关系。底线(蓝色)估计了一个53量子位处理器的经典运行时间(电路深度为20时为2.5天),而上排(橙色)则估计了一个54量子位处理器的运行时间。

我们的模拟方法具有许多不错的特性,这些特性不会直接从经典世界转移到量子世界。例如,一旦经过经典计算,就可以任意多次访问完整状态向量。我们的模拟方法的运行时间与电路深度大致成线性比例关系(请参见上面的图1),由于相干时间有限,因此没有任何限制。

新的更好的经典硬件,更有效地利用经典硬件的代码优化,不用说利用GPU-direct通信来运行有趣的高级模拟的潜力,可以极大地加速我们的模拟。

建立量子系统是科学和工程的壮举,对它们进行基准测试是一个巨大的挑战。Google的实验很好地展示了基于超导的量子计算的进展,展示了53量子位设备上的最新门保真度,但它不应被视为证明量子计算机相对于经典计算机“霸权”的证据。

众所周知,在量子领域,我们IBM关注的是“量子霸权”一词的去向。John Preskill最近在Quanta杂志上发表了一篇颇有见地的文章,讨论了这个词的起源,包括合理的辩护和对一些有争议的方面的坦率反思。

Preskill教授总结了公众对这个词的两个主要反对意见,他解释说,这个词“加剧了已经被过度炒作的对量子技术现状的报道”,而且“通过与白人至上的联系,引发了令人反感的政治立场”。

这两种反对都是合理的。我们还要补充一点,“霸权”一词正被几乎所有人所误解。包括一些“量子霸权的实现”及其变体的标题党几乎是不可抗拒,但它将不可避免地误导公众。

首先,正如我们在上面所争论的那样,根据其最严格的定义,这一目标尚未实现。但更重要的是,因为量子计算机永远不会“凌驾”于经典计算机之上,而是与它们协同工作,因为每种计算机都有其独特的优势。

为了让量子对社会产生积极的影响,未来的任务是继续构建和制造更强大的可编程量子计算系统,这些系统可再现、可靠地实现各种量子演示、算法和程序。这是在量子计算机中实现实际解决方案的唯一途径。

参考链接:

https://www.ibm.com/blogs/research/2019/10/on-quantum-supremacy/

本文来自微信公众号:新智元(ID:AI_era),来源:Nature、Google AI

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