@ 2019.10.11 , 21:10

“量子霸权”的到来

翻译:clkw
原文:https://www.quantamagazine.org/john-preskill-explains-quantum-supremacy-20191002/

谷歌量子计算实验室最近的一篇论文宣称已经达成了“量子霸权/量子完胜”(quantum supremacy),这是什么意思呢?

2012年,约翰·普瑞斯基尔(John Preskill)提出了“量子霸权”,该词用来形容当量子计算机终于做到了经典计算机做不到的事的那一瞬间,尽管那个计算任务可能没啥用。这将是地球历史上一个独特的时刻。

“量子霸权”这个词(而非这个概念)引起了两点争议,其一是supremacy让人联想到了“白人至上”(white supremacy),政治不正确,其二是媒体将量子技术吹得太过,这个词又雪上加霜。普瑞斯基尔预想到了第二点,不过没料到第一点,不过总之很多人包括谷歌的AI Quantum团队都真的很喜欢这个词。

普瑞斯基尔曾经考虑过用“量子优势”(quantum advantage),不过感觉没有“霸权/完胜”那么准确到位,就没有用,虽然这词现在使用范围也很广。

最新的谷歌论文里,他们用了一个53个量子比特的设备,并且说它只需数分钟就能完成当下最强的超算要花数千年才能完成的计算。若是如此,这就是实验物理中的一个瞩目进展,是量子计算硬件在高速研发的证明,普瑞斯基尔表示予以衷心的祝贺。

不过谷歌团队也承认,该量子计算机飞速解决的问题是精心选择出来的,没有实用意义,就是为了展示量子计算机有多快。简单来讲,该量子计算机执行了一序列随机决定的指令,然后测量所有量子比特,输出比特字串。这一量子计算不包含多少算法结构,导致经典计算机不容易复盘该计算,不过也意味着问题的答案没有给我们带来什么新知识。

但这一展示仍然意义重大。该团队用经典的超算来验证他们量子计算机的计算结果(当然了,要弱化成不需要花几千年才算出来的版本),确认了该设备的运作和设计相一致。知道硬件正常运作之后,我们就能开始寻找更有用的应用了。

验证硬件运作的重要性在哪?就在于精确控制量子计算机是非常非常难的。由于海森堡不确定性原理,看一眼量子系统就会造成干扰,我们要把它完美隔离开来才能安全保存和处理信息,但我们又要对量子比特进行操作,还要测量得到计算结果。所以,要达成现在这一成就,需要花上好多年来攻坚材料研发、制造、设计和控制技术。

谷歌所达成的量子霸权里程碑是迈向实用量子计算机的关键一步。普瑞斯基尔为即将到来的时代发明了一个词:NISQ(像risk那么念),全称是Noisy Intermediate-Scale Quantum(含噪声的中型量子)。“中型”指的是量子计算机的尺寸,可能会大到足以实现当下超算无法完成的高度特化计算任务的程度。“含噪声”指我们对量子比特的控制不完美,会随时间积累误差,假如我们计算太长时间,得到的答案估计不正确。

谷歌团队证明了我们能造出一台足够大也足够精确的、超越过去计算能力的量子计算机,预告了NISQ时代黎明的到来。

那么之后呢?谷歌和其他硬件厂商会尝试找实际应用。大型的量子计算机可以设计新材料、化合物或者做机器学习,但才几百量子比特的含噪声的量子计算机应该没啥用,不过至少也能在玩耍NISQ技术的过程中搞明白它到底能做啥。普瑞斯基尔说希望它能改变社会,不过那是几十年后的事了。

在2012年普瑞斯基尔首次提出“量子霸权”一词的论文中,他提出疑问:“大型量子系统的控制究竟只是非常非常难,还是难以置信般的难?前者的话我们或许在几十年攻坚后能成功造出大型量子计算机,后者的话我们可能几个世纪甚至永远都造不出来。”谷歌团队这一成就让普瑞斯基尔相信,量子计算只是非常非常难而已。若是如此,那未来几十年就能看到量子技术四处开花了。


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