谷歌(Google)AI量子团队终于正式发表论文并讲述其如何实现了“量子霸权(Quantum Supremacy)”,宣称Google的成果打开了通往许多可能性的大门,这也是以前任何人都没实现过的。

Nature杂志于2019年10月23日在官网发布最新报导,谷歌称发布量子霸权具有里程碑意义(Hello quantum world!Google publishes landmark quantum supremacy claim)。Google团队表示使用一种经典技术可以在2.5天内解决原本须1万年才能解决问题。​之前Google曾经短暂刊登于NASA后又撤下,该事件可以参阅本站前期文章『Google制造出53 Qubits量子计算器达成量子霸权、却遭IBM质疑』。

一般来说,链接的量子位(qubits)越多,在设备运行时保持其脆弱状态就越困难。Google的算法在由54个量子比特组成的量子芯片上运行,每个量子比特都由超导环组成。但这只是通用机器可能需要的100万个量子位的一小部分。该研究团队在该名为Sycamore的计算器,以描述随机数生成器的量子版本产生不同结果的可能性,通过运行一系列随机操作传递53个量子比特的电路来实现此目的。这将生成一个由1和0组成的53位字符串,总共为2的53次方之可能性组合(仅使用了53个量子位,因为Sycamore其中之一个被破坏了)。该过程是如此复杂,以至于无法根据第一原理来计算结果,因此实际上是随机的。但是由于量子位之间的干扰,一些数字符串比其他数字符串更可能出现。这类似于滚动加载的管晶(loaded die),即使在某些结果比其他结果更有可能,它仍会产生随机数。

Sycamore通过对电路进行采样(运行100万次并测量观察到的输出字符串)来计算概率分布。该方法类似于滚动模具以显示其差异分布。也就是说,这台机器使用实验来找到无法经典计算的量子问题的答案。所以说,Google的计算器不是单一用途的,而是可编程的,可以将量子电路应用于任何设备下。

验证解决方案是另一个挑战。为此,Google团队将结果与较小和较简单版本的电路仿真得到的结果进行了比较,例如:在橡树岭国家实验室的Summit超级计算器,Google团队推论估计,即使在一台具有一百万个处理单元的计算器(相当于大约100,000台台式计算器)上,对整个电路进行仿真也需花费10,000年的时间,而Sycamore只花了3分20秒。

谷歌为证明量子霸权而设计的实验可能具有实际应用:他创建了一个协议(protocol),使用这种计算向用户证明量子随机数发生器产生的比特确实是随机的。例如,应用于加密和某些加密货币(其安全性取决于随机密钥),可能很有用。

至于未来发展,Google工程师必须对其硬件进行大量改进才能运行该算法,包括构建新的电子设备以控制量子电路,并设计一种连接量子位的新方法。

同时,谷歌CEO Sundar Pichai也接受麻省理工科技评论专访,摘要如下:

他表示谷歌团队构建量子计算器是一个极其复杂的工程,从晶圆和制造逻辑门开始,一层层堆栈制作芯片,然后用AI技术对运算进行模拟,再从每次测试中不断调整精进,才换来了此次的研究成果。

他认为Google仍需要10年时间来研究才能构建出性能更优的量子计算器。

量子计算与AI技术一样重要!Sundar Pichai此次的成果能实现在实验室中操控量子位并维持迭加态,因为自然界最根本的运行法则与量子力学有关。同时,他认为两者间存在着很强的共生关系,目前该二者都还处于早期发展阶段,未来他们会从更进一步的发展中更加互相渗透,比如AI可以被用来加速量子计算,而量子计算又能被用来加速AI算法,他认为只有将二者深度结合才能产出真正的果实,并助力解决包括气候变化在内的许多急需解决的棘手问题。

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