什么是“量子霸权”?为什么谷歌实现这一突破如此重要?
2226字
2019-10-31 21:01
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火星译客

谷歌在2019年10月23日放出重磅消息,宣布它已成功实现所谓的“量子霸权”。

谷歌在《自然》杂志上发表的一篇文章中说,他们的Sycamore量子计算机能够在200秒内完成一个问题。而美国国际商用机器公司(下文直接称IBM)的Summit的电脑,作为目前世界上最快的经典计算机(超级计算机),体积有两个篮球场那么大,与其相比将需要1万年来解决同样的问题。

这就是“量子霸权”的含义。我们所熟悉的经典计算机(即手机和笔记本电脑)依照包括牛顿运动定律在内的经典物理学规则运行,而量子计算机则按照量子物理学定律运行,相较之下,量子计算机的优势在于其可以完成传统电脑在合理的时间内无法完成的任务。

据IBM公司对谷歌的回应,问题在于实际上,Summit计算机可以在两天半内解决量子计算机所处理的问题,而不是谷歌所说的一万年。

Recode的电视节目Reset播客中,主持人艾丽尔·杜海姆-罗斯和Quanta杂志的资深撰稿人凯文•哈特尼特(Kevin Hartnett)详细解释了什么是量子计算,以及为什么谷歌对IBM公司发起的公然挑衅既重要又不重要。

哈特尼特指出,“这太疯狂了,因为如果我们建造一台正常运行的量子计算机,这表明我们已经在某种程度上控制了宇宙存在的某种物质。从最基本的层面来看,我们正在试图控制它。我们通过操纵它并利用其进行计算以满足我们的目的。听起来有点令人震惊。而真正令人吃惊的是工程师们正在实现这一目标。”

在这一集节目的后半部分,两位作者还深入探讨了量子计算机在现实世界中从新药物研发和金融建模,到通过破解一种常见的加密方式(RSA加密)破解互联网的全方位应用。

杜海姆-罗斯解释道,“现在,我们就是通过这样的方法来维护网络信息安全的。但是有了功能强大的量子计算机……分解大量数据的时间大幅缩短。这意味着你的加密通道将很容易被破解,意味着互联网似乎要完蛋了。但目前这还只是理论上的推断。”

请听完他们的全部谈话。我们还分享了一份经过编辑的哈奈特与杜海姆-罗斯对话的文字记录。

你可以在苹果播客、Stitcher或Spotify上订阅Reset节目。

艾丽尔·杜海姆-罗斯

“量子霸权”这一术语听起来太荒谬了。它总是让我觉得电子会掌控整个世界。然而人们已经为此等了太久。谷歌宣布一种特殊的计算机类型即量子计算机的问世终结了人们长久的等待,使这一“梦幻概念”终成现实。

凯文·哈特尼特

…几十年来,这几乎是一个神话般的梦想。这感觉就像我们多年来一直在等待的所谓的量子霸权真正实现了。谷歌于本周宣布了这一消息。

艾丽尔·杜海姆-罗斯

因此,量子计算正在走进现实,目前谷歌和IBM这两家科技巨头都力求在。但首先我要让你谈谈物理学。别担心。因为我了解你。我在这里等着你。我们要一起做这件事。

那么,凯文,什么是量子计算机?

凯文·哈特尼特

量子计算机是一种利用量子物理定律进行计算的机器,而不是像你的手机或台式电脑那样,根据经典物理定律进行计算的机器。所以经典计算机是用比特来计算的,比特可以是1,也可以是0。

艾丽尔·杜海姆-罗斯

就和代码的逻辑一样。

凯文·哈特尼特

完全正确。这就是代码。量子计算机用不到比特,而是使用量子位。这些量子位是由量子信息组成的,可以呈现0或1的状态,或者被描述为0或1的可能性。

这一系统的优点是会呈现出不同的可能状态。当你在计算的时候你的量子计算机可能为每种状态测量出不同的可能性。

艾丽尔·杜海姆-罗斯:这是关键。一台普通的电脑(或者计算专家所说的“经典电脑”),比如你的笔记本电脑或手机——这些电脑一次只能尝试一种渠道达到得出结果的目的。但是量子计算机在得出正确答案方面更有效。

这样说不是很直观,所以可以尝试下思想实验,即想象一个球和一座山。你的任务是让那个球落在山下的一个特定地点。

凯文·哈特尼特

假设你现在开始计算。你在山顶上,你要把一个球滚下山去。它可以沿着多条指向不同终点的任意路径下山。但是在山下只有一个点是正确答案。所以如果你有一台经典电脑,你只能竭尽所能地把那个球滚下山,看看它落在哪里,看看它是不是正确的答案。

艾丽尔·杜海姆-罗斯

所以你要一次又一次地地把球拿上山,然后再扔下去一次,也许你会得到正确的答案。如果得到的并非正确答案,你得让它回到山上,再试一次。

凯文·哈特尼特

这要耗费很大力气和时间。(但有了量子计算机)你就可以建构单位长度,这样球滚下山的路径在某些情况下就是下山最可能经过的路径,指向山脚下所对应的正确位置。

艾丽尔·杜海姆-罗斯

所以你可以向山的一边倾斜,或者让天平倒向你这一边,从而更快地得到正确答案。从理论上讲,量子计算机应该能比传统计算机更快地得到答案。但说到速度,有时最新、最炫的交通方式并不是最可靠的。

因此,你必须问问自己:什么时候用量子计算机进行计算会比用传统计算机进行同样的计算效率更高?

简而言之,这就是对量子霸权的探求。

凯文·哈特尼特

2012年,加州理工学院(California Institute of Technology, Caltech)物理学家约翰·普雷斯基尔(John Preskill)设定了量子霸权的基准。量子至上意味着量子计算机可以做一些普通的经典计算机无法匹敌的事情。

有一种观点认为,量子计算机应该在计算执行上比普通计算机快得多。但是很多人怀疑在实践中是否有可能实现这样的高速计算。所以量子至上是指量子计算机实现了执行经典计算机所无法完成的计算这一突破。

因为如果你给一台经典计算机足够的时间,可能超过我们存在于宇宙的剩余时间,那么它可以完成任何量子计算机可以做的事情。至上意味着量子计算机可以比传统计算机更快地完成某些事情。

艾丽尔·杜海姆-罗斯

叫做IBM公司所研发的Summit是世界上最强大的经典计算机,有两个篮球场那么大。

另一方面,谷歌的量子计算机Sycamore可能适合你的卧室。

谷歌使Sycamore不得不面对一个非常具体的问题,即随机电路采样问题。

凯文·哈特尼特

他们展示了他们的电脑可以在200秒内解决这个随机电路采样的问题。谷歌估计这台世界上最强大的经典计算机Summit需要一万年才能解决其电脑在200秒内就解决的问题。

艾丽尔·杜海姆-罗斯

所以谷歌宣布它在IBM上的表现非常糟糕。最强大的电脑,世界上最强大的电脑,经典的电脑。

凯文·哈特尼特

在这一特殊的问题上,谷歌给了IBM公司强力一击,甚至可以说是致命性的打击。

这很重要。实事求是地说,这真的很重要(对于IBM公司来说),对吧?如果他们只花几分钟就计算出我们需要花到几年或数万年才能真正解决的问题,那说明我们在这一方面还需要做很大的努力。

艾丽尔·杜海姆-罗斯

不过,如果你问IBM公司的话,他会说谷歌对我们的影响并没有像它说的那样“夸张”。

凯文·哈特尼特

IBM当然对此表示怀疑。针对谷歌在其发表的论文中估测最强大的普通电脑需要一万年才能完成这个计算他们发表了一篇论文说,没那么快出结果,因为他们实际上还没进行过这项计算。IBM说,实际上,我们所设计的最强大的计算机可以在两天半内完成这项工作,如果我们有时间调整我们的工作方式,可能会更快。

我也必须说,IBM自己,他们可能是谷歌在努力研发量子计算机方面最大的竞争对手。

艾丽尔·杜海姆-罗斯

这仅仅是因为IBM输不起,还是说这是他们提出的一个很好的观点?

凯文·哈特尼特

嗯,他们的观点是正确的,它确实指出了有关量子霸权的某些重要方面,那就是你得试图证明量子计算机可以比任何经典计算机得出结果更快。因此,要想真正证明这种“霸主地位”,就必须证明经典计算机无法像量子计算机那样快速解决这类问题。而我们目前无法证明这一点。

以世界迄今上最强大的经典计算机为例,它的面积有两个篮球场那么大。这台计算机可以在200秒内解决一个问题,而世界第二快的计算机至少需要两天半的时间才能完成这个计算。如果谷歌建造出更大规模的量子计算机,在53个量子比特的基础上做到了72个量子比特。现在,一台能填满两个篮球场的经典计算机根本实现不了这一跨越。你需要一台城市大小的经典计算机来模拟同样的计算。

这就是量子计算机绝对比传统计算机运行速度快的原因。我认为这种区别就是人们在谈论量子霸权时的想法。这就是为什么大多数人很乐意谈论谷歌现在所做的事情,如果它完全被证实,实际上是量子霸权的证明。

艾丽尔·杜海姆-罗斯

那么,IBM是否也将在近期内宣示其“霸主地位”呢?

凯文·哈特尼特

IBM已经有一段时间不再迷思于实现所谓的量子霸权了。他们认为这是人为可改变的基准,你可以跨越这一标准,但其实就是做无用功,不会带来任何效益。因此,至少在他们的公开声明中,他们的想法要务实得多。

艾丽尔·杜海姆-罗斯

这和谷歌是不同的,谷歌是那种在扣篮前期待在空中垂直弹起的篮球运动员。而IBM只走的是跨步上篮的路线,因为他们知道这是可行的。但其实得分是一样的。

凯文·哈特尼特

我这么说。谷歌似乎更活跃于其基础科学以及可能性和探索感。

艾丽尔·杜海姆-罗斯

凯文,你简直完美!我们已经确定,谷歌的量子计算机比世界上最强大的经典计算机要快得多。

但实现这一突破有多大的可能性呢?未来个人量子计算机会出现吗?

要找到答案,请收听完整的对话,请订阅苹果播客、Stitcher、Spotify或任何你可以收听播客的地方收看Reset。

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