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谷歌实现量子制霸是大忽悠

铁流 · 2019-10-30 · 来源:铁君
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量子计算机必然会先以量子专用机的形式出现,并在特定领域取得自己的立足之地。这些专用机只会是经典计算机的补充,而非对经典计算机的革命。

  上个月,NASA大意提前泄露了Google的量子霸权论文,因为违反了Google公关部门的计划,所以很快就撤下。其后,Google遵循典型的商业炒作方案,始终三缄其口,一直到2019年十月23日,论文正式在《Nature》发表,论文介绍了谷歌团队基于一个包含53个可用量子比特的可编程超导量子处理器,运行随机量子线路进行采样,耗时约200秒可进行100万次采样,并且估计如果使用目前最强超算Summit来计算得到同样的结果,需耗费约 1 万年。据此,谷歌宣称实现了“量子优越性”。随后,国内外各式各样的公关吹嘘,铺天盖地而来。紧接着,IBM在官方博客公然唱反调,发表了一篇自己的论文稿,宣称已经证明Google并没有达到量子霸权。

  关于“量子制霸”,铁流认为,这是一个相对遥远的概念,还有很长的路要走。目前商业公司宣传的量子计算机比经典计算机的优势都是在玩田忌赛马,必须是某项特定的应用,并添加各种非常严格的定语和限制条件后,才能达到这些商业公司所宣称的效果。事实上,性能超越经典计算机的标准量子计算机在未来50年都未必能商用,即便是专用机也很可能依然是科研性质的玩意,而非生产力工具。至于媒体炒作的量子计算机淘汰经典计算机,引发技术革命改变人类生活之类的词汇,按照现阶段的技术水平,根本做不到。一些商业公司当每取得非常微小的一步成绩后就要连篇累牍夸耀式报道,有一点过头了。

  

 

 

  谷歌到底做了什么“惊人之举”

  铁流援引哈佛大学物理学博士王孟源先生的文章:

  Google所做的程序是先从86个耦合器和53个位中随机选出部分,被选中的会被开启而发生作用,叫做闸门(Gate)。位的闸门(Single-Qubit Gate)作用是产生对应着随机古典结果的量子态;耦合器的闸门(Two-Qubit Gate)作用则是将相邻的位纠缠起来。这些作用合起来,形成一个循环(Cycle);全部总共有20多个循环被事先随机确定,它们一起组成一个线路(Circuit)。Google在实验中所用的最复杂线路,包含了1113个单位元闸门和430个双位闸门。

  接下去是重复以下的这个程序圈子(Loop):首先把所有的位清零;接着让事先选定的固定线路发生作用,制造出新的量子态;然后全部位进行塌缩,以便形成古典的0或1读出。所以结果是一个看似随机的53位序列,但是内含量子纠缠,所以位之间并非真正的统计独立,而是有由量子纠缠来决定的复杂相关性(Correlation)。

  经过小规模的试用之后,最终Google团队用全部53个量子位跑这个程序圈子3千万次,这一共费时200秒。Google估计最新的古典超级计算机也要耗时10000年,所以可以自夸量子霸权。

  IBM出来泼冷水的研究,是采用了更高效的古典超级计算机设置,结果只用了两天半,大约比Google团队的估计快了八个数量级,所以并非没有意义的。

  然而这个古典程序的运行时间(Runtime),可以在数学上证明是与2^n成正比,这里n是量子位的数目,亦即Google实验中的53。所以即使在n=53的条件下古典计算机还可以一搏,到n=90左右的时候,也会重现量子霸权。这大概也就是三四年的研发时间。

  IBM的算法(Algorithm)仍然是以蛮力(Brute Force)为主,如果未来发明了更巧妙的算法,可能会让古典程序又再增速几个数量级,不过这顶多是把门坎抬高到n=200。换句话说,最多最多也就是延迟Google的量子霸权十年左右罢了。

  那么我们的结论是量子霸权在2030年之前必然会发生吗?不是的,Google这篇论文的真正问题,不在这些细节上,而在于整体设计,也就是我在本文开头所提的,程序的实用价值。

类似365bet的网站  要比较两个不同工程方案的优劣,一个很重要的隐性前提是要达成同样的、有实用价值的目标。Google的公关文稿,把他们的这个“成就”和100多年前莱特兄弟(Wright Brothers)的首次飞行相比,就是故意混肴视听:莱特兄弟(Wright Brothers)的飞机是围绕着一个历史长久、公认有价值的目标(亦即动力飞行)而设计制造的成品;Google的Sycamore却执行了一个一点用处都没有的程序。真正类似的,是建造出一个复杂而没有实用性的机器,然后说它在产生独特的噪音上,有无可比拟的效率。换句话说,他们是先射箭、再画靶,Sycamore自己随便动一动,然后叫古典计算机来做仿真;如果这样也算量子霸权,那么随便找一个有53个原子的系统,要求古典计算机来仿真它历时200秒的演变,同样也会需要万年以上。

  事实上,Google的这个结果,比毫无实用价值还要糟糕。要理解这一点,我们先回顾一下当前量子计算界的处境。现在的世界记录是大约100个量子位(DWave的量子计算器是假的);但是这些位很不稳定,非常容易与周围的巨观环境起作用而丧失量子态,这是我以前详细讨论过的量子退相干过程(Quantum Decoherence)。

  Google的这个“突破”,第一个巧妙之处在于用的是内生的(Endogenous)随机量子态,而不是事先指定的(亦即Exogenous,外源性的)串行。虽然Google团队可以试图去影响这些原始量子位之间的纠缠,实际上是否成功,并不能绝对精确地验证。换句话说,他们根本没有解决纠错的基本难关,而只估计出Sycamore保持量子态的半衰期大约是10微秒,那么因为每一轮程序圈子费时不到7微秒(=200秒/30000000轮),大部分时候量子退相干还没有发生。然后又再巧妙地只考虑统计结果,那么少部分的噪音就可以遮盖住了。

  这里最基本的毛病,在于Google的量子计算器并无法自行保证结果是正确的,事实上我们知道它不可能是绝对正确的,顶多只能是近似正确。相对的,古典计算机给出的结果却是绝对精确可靠的。这时硬要比较两者所费的时间,显然不是公平的。Google的量子计算器虽然算是先进,但距离实用目标还有至少九个数量级之遥;现在就宣称胜利,纯属忽悠大众的商业宣传。

  

 

  “量子制霸”标准量子计算机属于“永远的50年”

  近年来,关于量子计算机的各种新闻不绝于耳,国内中科大潘建伟院士团队、郭光灿院士团队,国外谷歌、IBM公司、Intel公司先后开发出了量子计算原型机。

  在2018年2月,中国科学技术大学郭光灿院士团队创新性地制备了半导体六量子点芯片,在国际上首次实现了半导体体系中的三量子比特逻辑门操控。

  不过,半导体量子芯片的路子不被国际主流看好,主要是扩展性方面存在一些短板,郭光灿院士团队扩展系统的难度非常大。相比之下,低温超导系统因其具备非常好的扩展性,被业内广泛看好。之前介绍的IBM、谷歌、英特尔和潘建伟院士团队的方案都是基于低温超导系统的方案。

  此前,谷歌、英特尔、IBM分别推出过49、50、72个物理比特的原型机。此前,谷歌此前发布的“通用量子计算机”Bristlecone,在量子比特数目上达到全球第一。不过,这里所谓的“通用量子计算机”的称呼,其实说具有较大水分的,只是专用机,做不到通用。

  IBM的IBMQ原型机则被誉为“世界首个专为科学和商业用途设计的集成通用近似量子计算系统,是目前全球唯一的独立商用量子计算机”。一些媒体在报道中,将IBMQ与ENIAC相比,认为将开启量子计算新时代。

  然而,标准量子计算机的实现可能性和可控核聚变类似,都是“永远的50年”,量子计算机将很快取代经典电子计算机只是不靠谱的幻想。

  什么是“永远的50年”呢?

  如果一项计算实现难度很大,以目前的技术储备几乎看不到实现的可能,但万一实现了足以引发一场技术革命,那么,在谈实现这项技术还有多久的时候,往往会用50年来表述——过了10年,同一个记者再去问同一个专家,得到的回复还是50年。

  也就形成了所谓的“永远的50年”。

  如果回答是20、30年,但时间到了却没做到,由于具体负责人都还在岗或在世,因而会带来一系列负面因素,但如果是50年,保不齐当年鼓吹这项技术的项目带头人都不在了,而且漫长的时间,也有利于冲淡人们的记忆。

  量子计算机就是这样的一项技术,如果能够实现的话,前景广阔,但以现在的技术储备而言,根本制造出标准量子计算机。同属“永远的50年”的还有可控核聚变技术,如果能够成功人类能摆脱化石能源枷锁,也许还能开启共产主义社会模式。问题就在于,这项技术属于“永远的50年”。

  

 

 

  实现标准量子计算机难度极大

  之所以实现标准量子计算机难度极大,主要是因为在编码、系统扩展、逻辑门精度、相干消等诸多方面,都有着极大的差距。

  编码是制造通用量子计算机的最大拦路虎。如果要制造出超过经典计算机的标准量子计算机,就必须至少获得50个逻辑比特。然而,目前人类所知的量子纠错机制,必须用上80-10000个物理比特,才能产生1个逻辑比特。目前全球没有任何一家商业公司或科研机构,能够做出一个逻辑比特。

  要说明的是50个逻辑比特并不是终点,而仅仅是一个新起点——虽然一些量子计算机的鼓吹者声称50个量子比特就能颠覆经典计算机,但实际上,这种说法并不客观。

  瑞士苏黎世皇家理工学院的物理化学家马科斯.雷勒表示:“如果我们拥有超过200个逻辑比特位,我们就能在量子化学上做到传统计算机无法做到的事情,如果拥有5000个逻辑比特位,量子计算机将为这一领域带来颠覆性的改变。”

  更多的逻辑比特就需要扩展系统,但系统扩展的难度会以几何倍数增长,何况现在连一个逻辑比特都无法实现。

  逻辑门精度也是一个大问题,要制造出标准量子计算机,单比特门精度和双比特门精度都必须达到非常高的要求。一些现在所谓的“量子计算机”的单比特门精度和双比特门精度其实都达不到标准量子计算机的要求。

  量子计算有赖于量子纠缠,随着环境、时间的变化,量子之间会失去这种纠缠效应。而维持量子纠缠的稳定时间才是真正有用的,而IBM此前只能维持90毫秒,这么短的时间,基本不具备实用价值。

  现在这些所谓的“量子计算机”,虽然在宣传上往往冠以“通用”之名,但其实都只能完成特定任务。

  比如国内的某台量子计算原型机就只能做波色采样,不具备通用性。国外谷歌、IBM、英特尔的机器也是类似,都是专用机,在一些特定应用,能够取得相对于经典计算机的优势,但不具备通用性。

  对于量子计算机,无论是商业公司也好,还是政府也好,投入一定资金进行探索是非常好的。在技术进步的道路上,不断取得成绩也值得称赞。

  但一些商业公司过分炒作量子计算概念,对一些有限且局部的进步大肆渲染浮夸营销误导大众,仿佛量子计算机就要到革命的前夜,仿佛经典计算机就要成为电子垃圾,未免就有些过了。

  至于一些媒体过度炒作量子霸权,或者将量子计算机与贸易摩擦强行挂钩,着实令人无语。

  

  结语

  谷歌、IBM、英特尔与潘院士、郭院士团队的努力都值得称赞。

  然而,问题就在于量子计算机概念被过度炒作,量子已经成为与纳米、Alot、5G等词汇一样被媒体和资本热炒,被捧得太高,已经超出其实际技术水平,并衍生出了很多原本不具备的概念。这种做法并不利于行业的健康发展和技术进步。

  由于研发标准量子计算机的难度非常非常大,有业内人士认为:

  所谓标准的量子计算机,也是一批人的定义,不见得一定是最后的实现方式,我们要以比较开放的态度来看这个系统是不是能够实现超越非量子的计算能力。

  无独有偶,IBM的工程师也提出了“近似量子计算”的概念,也就是在无法解决编码问题的情况下,开发出能够适应、容忍噪音的算法,并得到正确的答案。

  这就像是在大选中,统计人员无视一些出错的的电子选票后,仍然得到正确的选举结果。

  总而言之,量子计算机必然会先以量子专用机的形式出现,并在特定领域取得自己的立足之地。这些专用机只会是经典计算机的补充,而非对经典计算机的革命。

  若要制造出具有通用性,且性能超越经典计算机的标准量子计算机,则是一项非常艰巨的任务!

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