谷歌再次實(shí)現(xiàn)了「量子霸權(quán)」？

近日，谷歌宣稱，他們的量子計(jì)算機(jī)在短短6秒，完成世界最先進(jìn)計(jì)算機(jī)47年的計(jì)算量。

沒錯(cuò)，47年被凝結(jié)成瞬間。谷歌研究團(tuán)隊(duì)的最新發(fā)現(xiàn)已發(fā)表在arxiv上。

論文地址：https://arxiv.org/pdf/2304.11119.pdf

論文稱，谷歌最新Sycamore量子處理器目前擁有70個(gè)量子比特，而2019年版本只有53個(gè)量子比特。

量子比特的增加，意味著可以成倍地提高量子計(jì)算機(jī)的性能，這使得新處理器的穩(wěn)健性大約是以前的2.41億倍。

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最新研究將標(biāo)志著，量子計(jì)算迎來里程碑時(shí)刻。

憑借其計(jì)算優(yōu)勢(shì)，谷歌的量子計(jì)算機(jī)有望徹底改變包括人工智能在內(nèi)的各個(gè)領(lǐng)域。

以前所未有的速度解決復(fù)雜問題，有望解鎖下一代人工智能模型，突破許多領(lǐng)域從未超越的界限。

47年被凝結(jié)成瞬間

每個(gè)量子比特可以同時(shí)存在于0、1或疊加的狀態(tài)，因此存儲(chǔ)和處理這種級(jí)別的量子信息的能力很不容易，即使是最快的經(jīng)典計(jì)算機(jī)也無法比擬。

谷歌團(tuán)隊(duì)在一篇論文中表示，量子計(jì)算機(jī)有望執(zhí)行超出經(jīng)典計(jì)算機(jī)能力的任務(wù)。

「我們根據(jù)改進(jìn)的經(jīng)典方法估算了計(jì)算成本，并證明我們的實(shí)驗(yàn)超出了現(xiàn)有經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)的能力?！?/span>

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就算是田納西州的Frontier超算（這已經(jīng)是目前全世界最快的超算了），也碰不了量子計(jì)算機(jī)的瓷。

當(dāng)然前提是量子計(jì)算機(jī)釋放出自身的潛力。

因?yàn)閭鹘y(tǒng)的計(jì)算機(jī)用二進(jìn)制的代碼語言運(yùn)行，僅限于0和1，以及雙重狀態(tài)。而量子計(jì)算機(jī)超越了這個(gè)限制。

不過，目前研究人員還不能確定谷歌量子計(jì)算機(jī)的制造成本究竟是多少。但變革性的計(jì)算能力是毋庸置疑的。

根據(jù)谷歌團(tuán)隊(duì)的說法，F(xiàn)rontier超級(jí)計(jì)算機(jī)只需6.18秒即可匹配谷歌-53量子比特計(jì)算機(jī)的計(jì)算結(jié)果。

然而，同樣的一臺(tái)Frontier則需要47.2年才能與谷歌最新的70量子計(jì)算機(jī)所能提供的的計(jì)算能力相匹配。

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領(lǐng)域內(nèi)的許多專家都認(rèn)為谷歌的新量子計(jì)算機(jī)是一項(xiàng)重大進(jìn)步。

劍橋量子公司Riverlane的CEO Steve Brierley將谷歌的進(jìn)步稱為一個(gè)「重大里程碑」。

「量子霸權(quán)？這個(gè)問題我們不用再爭(zhēng)論了?！?/span>

同樣，蘇塞克斯量子技術(shù)中心主任的一位教授贊揚(yáng)谷歌解決了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)難以計(jì)算的某些特定學(xué)術(shù)問題。

他強(qiáng)調(diào)，在我們眼前關(guān)鍵的下一步，是創(chuàng)建能夠糾正自身固有操作錯(cuò)誤的量子計(jì)算機(jī)。

雖然IBM尚未對(duì)谷歌最新的量子計(jì)算機(jī)置評(píng)，但明顯，谷歌在量子計(jì)算領(lǐng)域的這一進(jìn)展引起了全球研究人員和公司的共同關(guān)注。

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毫無疑問，這將為計(jì)算技術(shù)的發(fā)展開辟新的前景和競(jìng)爭(zhēng)。

研究中，團(tuán)隊(duì)提到噪聲與相干演化相競(jìng)爭(zhēng)，并破壞了長程相關(guān)性，這使得充分利用近期量子處理器的計(jì)算能力成為一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

研究人員進(jìn)行了隨機(jī)電路采樣（RCS）實(shí)驗(yàn)，在這些實(shí)驗(yàn)中，他們確定了由量子動(dòng)力學(xué)和噪聲之間的相互作用驅(qū)動(dòng)的不同階段。

在量子計(jì)算中，這涉及通過運(yùn)行隨機(jī)電路，并分析結(jié)果輸出來測(cè)試量子計(jì)算機(jī)的性能，以評(píng)估其解決復(fù)雜問題的能力和效率。

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在電路深度的驅(qū)動(dòng)下，系統(tǒng)首先經(jīng)歷動(dòng)態(tài)相變，其中輸出分布不再集中在比特串的一部分中。第二個(gè)是由噪聲驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)換。

利用交叉熵基準(zhǔn)，研究人員觀察到了階段邊界，這可以定義噪聲量子演化的計(jì)算復(fù)雜性。

在模擬的估計(jì)計(jì)算成本，比起經(jīng)典計(jì)算機(jī)，53量子比特完成1百萬個(gè)噪音樣本比其快6.18秒。而70量子比特要快47.2年。

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最后，谷歌團(tuán)隊(duì)展示了一個(gè)24周期70量子比特的RCS實(shí)驗(yàn)，估計(jì)保真度為 1.7 -107%，這意味著在相同保真度下，電路體積增加了約 60%。

谷歌根據(jù)改進(jìn)的經(jīng)典方法估算了計(jì)算成本，并證明了新量子計(jì)算機(jī)有著超出了現(xiàn)有經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)的能力。

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70量子比特的Sycamore實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)勢(shì)

谷歌團(tuán)隊(duì)表示，盡管迄今為止RCS已經(jīng)取得了成功，但尋找近期噪聲量子處理器的實(shí)際應(yīng)用仍然是一個(gè)突出的挑戰(zhàn)。他們進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)就提供了量子動(dòng)力學(xué)如何與噪聲相互作用的研究。

觀察到的相界為高噪聲量子器件能夠正確利用其計(jì)算能力的7個(gè)體系提供了定量指導(dǎo)。

在弱噪聲階段，全局相關(guān)性主導(dǎo)XEB，這一事實(shí)保護(hù)了RCS免受欺騙的攻擊，這些都是未來應(yīng)用的設(shè)計(jì)方向。

「量子霸權(quán)」成烏龍？

其實(shí)，早在2019年，谷歌便聲稱實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)。

研究人員在NASA網(wǎng)站上發(fā)表的論文一經(jīng)發(fā)布，便引起了轟動(dòng)。

論文稱，谷歌處理器能夠在3分20秒內(nèi)執(zhí)行一個(gè)計(jì)算，而用當(dāng)今最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)Summit進(jìn)行同樣的計(jì)算，需要約10000年。

隨后，谷歌這篇論文正式在Nature上重磅發(fā)表。

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論文通訊作者 John Martinis 和同事描述了實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)所取得的技術(shù)進(jìn)展。

他們研制了一臺(tái)由54個(gè)量子比特組成的處理器 (名為 Sycamore 處理器)。

該處理器利用量子疊加和量子糾纏實(shí)現(xiàn)的計(jì)算空間與經(jīng)典比特所能達(dá)到的相比，實(shí)現(xiàn)了指數(shù)級(jí)的增加。

由于有1個(gè)量子比特?zé)o法有效工作，處理器實(shí)際只用了53個(gè)量子比特。

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研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的糾錯(cuò)流程可以保證較高的運(yùn)算保真度 （高達(dá) 99.99%）。

為了測(cè)試該系統(tǒng)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一項(xiàng)對(duì)量子電路產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)字進(jìn)行采樣的任務(wù)。

對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)來說，這一任務(wù)的難度會(huì)隨量子電路中量子比特?cái)?shù)的增加而增加。

最后，量子處理器在 200 秒左右的時(shí)間內(nèi)從量子電路中采集了 100 萬個(gè)樣本，而當(dāng)今最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)大約需要 1 萬年的時(shí)間才能完成這一任務(wù)。

Nature表示，「谷歌實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)無疑是一項(xiàng)了不起的成就」。

然而，針對(duì)谷歌「量子霸權(quán)」事件的批判和質(zhì)疑也隨之而至。

IBM 團(tuán)隊(duì)寫道，「在一個(gè)經(jīng)典的系統(tǒng)上，同樣的任務(wù)的理想模擬可以在 2.5 天內(nèi)完成，而且保真度要高得多?！?/span>

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這意味著谷歌實(shí)際上并沒有表現(xiàn)出量子霸權(quán)，而且競(jìng)爭(zhēng)仍在繼續(xù)。

微軟、IBM也下注

除了谷歌，IBM、微軟也在量子計(jì)算機(jī)上押注未來。

在微軟看來，未來十年最大的創(chuàng)新可能是在聚變能源、人工智能和量子計(jì)算領(lǐng)域。

6月，CEO納德拉曾公布了微軟宏偉目標(biāo)，10年內(nèi)建造出量子計(jì)算機(jī)。

將未來250年的化學(xué)和材料科學(xué)進(jìn)展壓縮到未來25年。

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Azure Quantum Elements通過整合高性能計(jì)算（HPC）、人工智能和量子計(jì)算的最新突破，可以加速科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

值得一提的是，Azure Quantum中的Copilot幫助科學(xué)家使用自然語言來推理復(fù)雜的化學(xué)和材料科學(xué)問題。

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前段時(shí)間，IBM量子計(jì)算機(jī)登上了Nature封面。

IBM、加州大學(xué)伯克利分校的Nature論文展示了，一條通往有用量子計(jì)算的道路。

研究首次證明，100+量子比特的量子處理器，可以產(chǎn)生精確結(jié)果，并達(dá)到超越領(lǐng)先的經(jīng)典方法。

最重要的是，無需糾錯(cuò)就可超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)。

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論文中，研究人員在IBM 127量子比特鷹（Eagle）量子處理器上模擬了磁性材料的行為。

至關(guān)重要的是，他們?cè)O(shè)法繞過了「量子噪聲」，取得了可靠結(jié)果。要知道，量子噪聲會(huì)引入計(jì)算誤差，是這項(xiàng)技術(shù)的主要障礙。

有研究統(tǒng)計(jì)，自2015年以來量子計(jì)算的投資走勢(shì)不斷上漲。

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與經(jīng)典計(jì)算相比，量子計(jì)算具有徹底改變行業(yè)和以指數(shù)級(jí)速度解決復(fù)雜問題的潛力。

量子計(jì)算機(jī)的突破可能會(huì)徹底改變?cè)S多領(lǐng)域，從藥物發(fā)現(xiàn)到氣候建模、金融建模，甚至人工智能，其潛力是巨大的。

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具體來講，對(duì)不同領(lǐng)域的影響：

-密碼學(xué)：增強(qiáng)加密和解密算法。 

-藥物發(fā)現(xiàn)：加速新藥的開發(fā)。 

-優(yōu)化問題：解決復(fù)雜的優(yōu)化挑戰(zhàn)。 

-機(jī)器學(xué)習(xí)：改進(jìn)模式識(shí)別和數(shù)據(jù)分析。 

-財(cái)務(wù)建模：加強(qiáng)財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)分析和預(yù)測(cè)。 

-材料科學(xué)：設(shè)計(jì)具有特定特性的新型材料。 

-天氣預(yù)報(bào)：提高天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。 

-量子化學(xué)：模擬和研究化學(xué)反應(yīng)。 

-人工智能：增強(qiáng)人工智能算法和訓(xùn)練模型。 

這次，谷歌的新量子計(jì)算機(jī)標(biāo)志著速度和潛力的突破性進(jìn)步，開啟了一個(gè)具有跨多個(gè)行業(yè)變革意義的計(jì)算新時(shí)代。