谷歌再次實現(xiàn)了「量子霸權(quán)」？

近日，谷歌宣稱，他們的量子計算機在短短6秒，完成世界最先進計算機47年的計算量。

沒錯，47年被凝結(jié)成瞬間。谷歌研究團隊的最新發(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個量子比特，而2019年版本只有53個量子比特。

量子比特的增加，意味著可以成倍地提高量子計算機的性能，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，量子計算迎來里程碑時刻。

憑借其計算優(yōu)勢，谷歌的量子計算機有望徹底改變包括人工智能在內(nèi)的各個領(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

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

谷歌團隊在一篇論文中表示，量子計算機有望執(zhí)行超出經(jīng)典計算機能力的任務(wù)。

「我們根據(jù)改進的經(jīng)典方法估算了計算成本，并證明我們的實驗超出了現(xiàn)有經(jīng)典超級計算機的能力。」

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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），也碰不了量子計算機的瓷。

當(dāng)然前提是量子計算機釋放出自身的潛力。

因為傳統(tǒng)的計算機用二進制的代碼語言運行，僅限于0和1，以及雙重狀態(tài)。而量子計算機超越了這個限制。

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

根據(jù)谷歌團隊的說法，F(xiàn)rontier超級計算機只需6.18秒即可匹配谷歌-53量子比特計算機的計算結(jié)果。

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

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領(lǐng)域內(nèi)的許多專家都認(rèn)為谷歌的新量子計算機是一項重大進步。

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

「量子霸權(quán)？這個問題我們不用再爭論了?！?/span>

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

他強調(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誤的量子計算機。

雖然IBM尚未對谷歌最新的量子計算機置評，但明顯，谷歌在量子計算領(lǐng)域的這一進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，這將為計算技術(shù)的發(fā)展開辟新的前景和競爭。

研究中，團隊提到噪聲與相干演化相競爭，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算能力成為一個巨大的挑戰(zhàn)。

研究人員進行了隨機電路采樣（RCS）實驗，在這些實驗中，他們確定了由量子動力學(xué)和噪聲之間的相互作用驅(qū)動的不同階段。

在量子計算中，這涉及通過運行隨機電路，并分析結(jié)果輸出來測試量子計算機的性能，以評估其解決復(fù)雜問題的能力和效率。

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在電路深度的驅(qū)動下，系統(tǒng)首先經(jīng)歷動態(tài)相變，其中輸出分布不再集中在比特串的一部分中。第二個是由噪聲驅(qū)動的轉(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算復(fù)雜性。

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

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最后，谷歌團隊展示了一個24周期70量子比特的RCS實驗，估計保真度為 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)改進的經(jīng)典方法估算了計算成本，并證明了新量子計算機有著超出了現(xiàn)有經(jīng)典超級計算機的能力。

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70量子比特的Sycamore實現(xiàn)了量子優(yōu)勢

谷歌團隊表示，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際應(yīng)用仍然是一個突出的挑戰(zhàn)。他們進行的實驗就提供了量子動力學(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算能力的7個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，這一事實保護了RCS免受欺騙的攻擊，這些都是未來應(yīng)用的設(shè)計方向。

「量子霸權(quán)」成烏龍？

其實，早在2019年，谷歌便聲稱實現(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。

論文稱，谷歌處理器能夠在3分20秒內(nèi)執(zhí)行一個計算，而用當(dāng)今最強大的超級計算機Summit進行同樣的計算，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 和同事描述了實現(xiàn)量子霸權(quán)所取得的技術(shù)進展。

他們研制了一臺由54個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現(xiàn)的計算空間與經(jīng)典比特所能達到的相比，實現(xiàn)了指數(shù)級的增加。

由于有1個量子比特?zé)o法有效工作，處理器實際只用了53個量子比特。

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研究團隊開發(fā)的糾錯流程可以保證較高的運算保真度 （高達 99.99%）。

為了測試該系統(tǒng)，團隊設(shè)計了一項對量子電路產(chǎn)生的隨機數(shù)字進行采樣的任務(wù)。

對于經(jīng)典計算機來說，這一任務(wù)的難度會隨量子電路中量子比特數(shù)的增加而增加。

最后，量子處理器在 200 秒左右的時間內(nèi)從量子電路中采集了 100 萬個樣本，而當(dāng)今最強大的超級計算機大約需要 1 萬年的時間才能完成這一任務(wù)。

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

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

IBM 團隊寫道，「在一個經(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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這意味著谷歌實際上并沒有表現(xiàn)出量子霸權(quán)，而且競爭仍在繼續(xù)。

微軟、IBM也下注

除了谷歌，IBM、微軟也在量子計算機上押注未來。

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)建造出量子計算機。

將未來250年的化學(xué)和材料科學(xué)進展壓縮到未來25年。

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Azure Quantum Elements通過整合高性能計算（HPC）、人工智能和量子計算的最新突破，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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前段時間，IBM量子計算機登上了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，并達到超越領(lǐng)先的經(jīng)典方法。

最重要的是，無需糾錯就可超越經(jīng)典計算機。

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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，他們設(shè)法繞過了「量子噪聲」，取得了可靠結(jié)果。要知道，量子噪聲會引入計算誤差，是這項技術(shù)的主要障礙。

有研究統(tǒng)計，自2015年以來量子計算的投資走勢不斷上漲。

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

量子計算機的突破可能會徹底改變許多領(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，對不同領(lǐng)域的影響：

-密碼學(xué)：增強加密和解密算法。 

-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)。 

-機器學(xué)習(xí)：改進模式識別和數(shù)據(jù)分析。 

-財務(wù)建模：加強財務(wù)風(fēng)險分析和預(yù)測。 

-材料科學(xué)：設(shè)計具有特定特性的新型材料。 

-天氣預(yù)報：提高天氣預(yù)報的準(zhǔn)確性。 

-量子化學(xué)：模擬和研究化學(xué)反應(yīng)。 

-人工智能：增強人工智能算法和訓(xùn)練模型。 

這次，谷歌的新量子計算機標(biāo)志著速度和潛力的突破性進步，開啟了一個具有跨多個行業(yè)變革意義的計算新時代。