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“量子霸权” 值得深思,终能够为社会做些什么

2018-03-06

Philip Ball说,我们远远无法断定量子计算机是否能超越经典计算机。


量子霸权听起来有点可怕,仿佛像是《终结者》电影系列的结局或者是一场失败的政治运动一样。事实上,它意味着量子计算机超越所有经典计算机的时代的到来。加州理工学院的量子理论学家John Preskill在2012年首次使用“量子霸权”这一说法,之后它被越来越多的人接受,因为它的时代似乎近在眼前。根据许多量子计算的支持者,它甚至可能在年底之前到来。

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IBM 50量子比特计算机所需的一台低温恒温器。  (IBM Research)


但是量子霸权这一概念是否合理?仔细一想就会发现很多问题。我们根据什么标准判断一台量子计算机在性能上超越一台经典计算机?要解决什么问题?如果没有经典计算机做参考,如何确认量子计算机成功了?


对于量子霸权,评论家们预测它将主导信息技术领域,并对此兴奋不已,而计算机科学家和工程师的反应则淡定得多。他们未将其视为一种节点性的突破,而是一种象征性标志:它是一件概念工具,借由它开展一场有关这两种计算方法差异的讨论。或许,它还是一条出色的宣传口号。


魔法数字


量子计算机依据在最小尺度支配物质行为的量子规律来操纵信息。在这个量子世界中,信息可被编码为量子比特,它们由代表二进制1和0的量子态对象构成。在量子计算机中,量子比特保持量子相干叠加态,也即它们相互关联,而非像在经典计算机电路中的比特(晶体管)一样相互独立,因此就有可能比经典计算机更高效、更快速地执行某些计算,所需的(量子)比特也更少。


IBM和谷歌都已经研发出量子计算原型设备。IBM向公众开放了一款接入云端的5量子比特计算机。2017年11月10日,IBM宣布为商业用户提供一台20量子比特计算机。IBM计算机科学家还在同一天报告他们成功测试了一个50量子比特的电路。谷歌同样也在研发拥有49-50量子比特的设备,研究者希望通过这些设备在今年年底前证明量子霸权。


但是,谁能确定量子计算机真的可以做到经典计算机做不到的事呢?会不会只是人们还没有发现一种足以胜任的经典算法?这就是为什么量子霸权在理论上是一个有意思的挑战:是否真的存在一些问题让人们可以通过严谨的方式证明量子计算能完成经典计算无法完成的任务?


讨论最多的是所谓的取样问题:将有效随机比特转化成来自预定义分布的比特。John Martinis领导的谷歌团队描述了一个在量子计算机上实行类似取样方案的实验流程,并提出50量子比特计算机可以展现出量子霸权。


因为这篇论文,50量子比特为成为了一个标志性数字。谷歌计划利用仅仅 50 个量子比特实现量子霸权,而Edwin Pednault 与同事(IBM托马斯·J·沃森研究中心)在他们之前发表的一篇预印本论文中表示,只要设计足够精巧新颖,在经典计算机上也可以模拟某些49量子比特问题,这被一些新闻报道解读为对谷歌的挑战。


深度才是重点


但事实并非如此。现在量子计算专家不得不反复强调:量子比特的数量并非唯一的决定因素。衡量量子电路能力的一项重要标准其实是“深度”,即在量子比特相干性消失前,一个量子比特系统能实现多少个逻辑运算(“门”),因为当量子比特退相干后计算错误就会激增,导致无法进行更进一步的计算。同样重要的还有量子比特彼此如何连接的问题。因此,真正衡量量子电路能力时,需要考虑一系列不同因素,也就是IBM研究者所说的“量子体积”(quantum volume)。


这意味着一项量子计算任务之于经典计算机的难度取决于算法深度,而不只是量子比特数量。Martinis说IBM的论文只讨论了深度较浅的问题,所以在49量子比特水平上仍旧存在经典计算解决方案,也就不足为奇。他说:“谷歌已充分意识到,浅层电路更容易进行经典计算。我们在原始论文中有提到这个问题。” 


麻省理工的计算机科学家Scott Aaronson也认为IBM的研究并没有对实现量子霸权有明显的推动作用。“这是一篇出色的论文,它创下了对通用量子电路进行经典模拟的新记录,”他写道,但是“它并没有动摇量子霸权实验的依据。”


他说事实几乎可以说是相反的:论文表明“使用经典计算机模拟49量子比特电路是可行的,这是谷歌计划的量子霸权实验的先决条件,因为这是我们唯一所知的检查实验结果的方法。”这篇IBM论文在本质上展示了如何在最大边界上验证量子计算结果,这样当超越这一边界时,计算机科学家和工程师就能对量子计算机保持最大的信心。Aaronson说这个目标可以被比作“不断向高山之巅攀登,却又要保证山脚下的人能始终看到你。”


这些观点似乎与IBM团队自己的看法一致。Pednault说:“我认为从我们建立的模拟方法中可以得出的一个结论是,量子霸权应该被看作一个度的问题,而不是一个绝对阈值。我和其他一些人都更喜欢用‘量子优势’这个词。”


IBM的理论科学家Jay Gambetta表示同意,因为从字面上解读量子霸权可能意义并不大。他说:“我不认为量子霸权代表了我们到达终点宣告胜利的一个里程碑。我将这些‘霸权’实验视作一系列旨在帮助我们研发量子设备的基准测试实验。”


Pednault说,无论如何,实现量子霸权“不应该被误解为量子计算将为经济和社会做出巨大贡献的决定性时刻。我们仍需要做大量艰苦的科学工作。” 


当然,这还是属于应用科学范畴。量子霸权这一概念提出了一个值得深思的理论难题,但是并没有揭示量子计算机最终能够为社会做些什么。

Nature|doi:10.1038/nature.2017.22993


(来源: Nature自然科研)

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空中转体六周半发布于2018-03-060

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