[新聞] 谷歌的量子霸權對於量子計算意味著什麼?

谷歌聲稱已經證實了量子霸權(在通往實用量子計算的漫長道路上最早也是最受期待的里程碑之一),這本應在一份著名的科學雜誌上正式亮相。然而,這篇研究論文的早期洩露引起了媒體的瘋狂報導,並引發了一些關於量子計算機何時能夠破解全球計算機安全算法的錯誤猜測。

在未來,量子計算可能嚴重威脅數字通信安全,這個時刻可能是幾年,甚至是數十年。但是,洩露的谷歌論文草稿則很可能代表了長期存在的理論前提的第一個實驗證明。專家說,量子計算機在某些任務上甚至可以勝過最強大的現代超級計算機。這樣一個量子霸權的展示是一個期待已久的路標,它向研究人員表明,他們正走在可以將量子計算實現實用化的正確道路上。

「對於我們這些從事量子計算的人來說,量子霸權的實現是一個巨大的、非常受歡迎的里程碑,」德克薩斯大學奧斯汀分校(University of Texas at Austin)量子信息中心(Quantum Information Center)主任、計算機科學家斯科特·亞倫森(Scott Aaronson)說,他沒有參與谷歌的研究。」這並不令人意外——這是我們所有人都預料到的,最多幾年後就會到來。

什麼是量子計算?

量子計算利用量子物理學的規則來控制宇宙中一些最小的粒子,從而製造出與當今智能手機和筆記本電腦中使用的“經典”計算機芯片完全不同的設備。不同於經典計算的二進制信息位,只能存在於兩個基本狀態之一,量子計算機依賴於量子比特,量子比特可以以許多不同可能狀態而存在。以一枚硬幣作比喻,經典計算只能存在於“正面”和“反面”,而量子計算則不僅於此。

由於每個量子位可以容納許多不同的信息狀態,通過量子糾纏連接起來的多個量子位有望在現代超級計算機上快速執行複雜的計算操作,這可能需要數千年或數百萬年的時間。為了建造這樣的量子計算機,一些研究實驗室一直在使用激光和電場來捕獲和操縱原子作為單個量子位。

其他小組,例如由加利福尼亞大學聖塔芭芭拉分校的約翰·馬丁尼斯(John Martinis)領導的谷歌 AI量子實驗室,也在試驗由超導金屬環製成的量子比特。這種方法使谷歌和它的研究合作者能夠展示基於54量子位陣列的量子霸權。矩形排列——其中有一個量子比特被證明是有缺陷的,這使得工作量子比特的數量減少到53個。(谷歌沒有回應評論請求。)

「在過去的一兩年裡,我們有一個非常好的想法,那就是成立一個谷歌團隊,因為他們在所有的工作中都明確地瞄準了這一目標,」Aaronson說。」他們也在打造硬件的前沿。

谷歌的量子霸權實驗

谷歌的實驗測試了該公司名為Sycamore的量子計算設備是否能夠從隨機量子電路中正確地產生樣本——這相當於驗證隨機數字發生器的量子版本的結果。在這種情況下,量子電路由一個特定的單量子位和雙量子位邏輯操作隨機序列組成,多達20個這樣的運算(被稱為」門」)隨機串在一起。

Sycamore量子計算設備在短短的3分20秒內對隨機量子電路進行了100萬次採樣。當研究小組在經典計算機上模擬同樣的量子電路時,他們發現即使是目前世界上最強大的Summit超級計算機也需要大約1萬年才能執行同樣的任務。

“經典計算機界有很多人不懂量子理論,他們聲稱量子計算機並不比經典計算機更強大”,理論物理學教授、巴吞魯日路易斯安那州立大學量子科學與技術小組成員喬納森·道林(Jonathan Dowling)說,“這個實驗另他們大跌眼鏡。

“這不是珠穆朗瑪峰的頂峰,但它確實在穿越一座很大的山峰。”——南加利福尼亞大學的Daniel Lidar。

這可能是連谷歌都沒有預料到的轉折。一篇描述該公司量子霸權實驗的論文草稿很早就洩露了,可能是NASA Ames研究中心的研究合作者將論文上傳到了NASA技術報告服務器時就洩露了。如果不是因為谷歌自己的搜索引擎算法,它可能會在被匆忙刪除之前坐在那裡而不被注意。但谷歌自己的搜索引擎算法找到了該論文,並通過電子郵件發送給了道林和其他簽署了與量子計算有關的Google學術的人員。

隨機數發生器實驗可能看起來像是量子霸權的任意基準,並沒有太多的實際應用。但是,Aaronson最近提出,這種隨機量子電路可以成為經過認證的隨機性協議的基礎,該協議對於某些加密貨幣和加密協議可能非常有用。除了這個非常具體的應用,他還建議未來的量子計算實驗可能旨在對複雜系統(如在凝聚態物理中發現的系統)進行有用的量子仿真。

量子計算的下一步是什麼?

谷歌取得的明顯成就並不排除另一個研究小組開發出更好的經典計算算法的可能性,該算法比谷歌當前的量子計算設備更快地解決了隨機數生成器的挑戰。但是即使發生了這種情況,但隨著時間的流逝,量子計算功能也有望大大超過經典計算有限的增長。

「經典計算和量子計算之間的這場競賽還將繼續,」洛杉磯南加州大學量子信息科學與技術中心主任丹尼爾·裡達爾說。」不過,就我們所知,由於量子計算機具有足夠高保真度份量的量子計算機的擴展性更好——對某些問題來說會以指數級增長——最終,經典計算機將無法跟上這場競賽。

谷歌的團隊甚至創造了一個術語來描述量子計算在經典計算上的速度:Neven’s Law。與摩爾定律預測的經典計算能力每兩年大約翻一番(指數增長)不同,Neven’s Law描述的是量子計算通過雙指數增長獲得更快的速度。

新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory)研究量子計算機的理論物理學家安德魯·索恩博格(Andrew Sornborger)說:」如果你曾經在圖上畫過一個雙指數,看起來線是零,然後你碰到了一個盒子的一角,然後你就一直往上走。與其說是演變,不如說是事件——在你碰到一角之前和之後。

從長遠來看,量子計算的指數增長優勢有可能改變科學研究的某些領域和現實世界的應用。例如,Sornborger預計,未來的量子計算機能夠執行遠比目前最好的超級計算機複雜得多的模擬。

大家想要的:量子糾錯

另一個長期的期望是,通用量子計算機可能有一天會破解用於保護計算機安全和互聯網的標準數字代碼。當谷歌的量子霸權實驗首次通過英國《金融時報》(Financial Times)被報導出來時,這種可能性引發了陰謀論者和至少一名美國人的過早警報。(越來越多的在線猜測最終促使新加坡國立大學的博士候選人黃俊業在他的谷歌雲端硬盤帳戶上共享了一份洩露的谷歌論文的副本。)

事實上,美國政府已經在採取措施,為未來量子計算突破現代密碼學標準的可能性做準備。美國國家標準與技術研究所(U.S.National Institute of Standards and Technology)一直在監督一個進程,要求密碼學研究人員開發和測試抗量子的算法,這些算法可以繼續保持全球通信安全。

量子計算可能嚴重威脅數字通信安全的時刻,即使不是未來的幾十年,也是未來的很多年。

量子霸權成就只是開發實用量子計算機所需的許多步驟中的第一步。量子比特在執行計算操作時,需要在更長的時間內保持特定的量子態,這對於易碎的量子比特來說是一個挑戰。這意味著要拼湊出涉及數千甚至數百萬個量子比特的大型陣列絕非易事,而這可能對於實用、通用的量子計算來說是必需的。

如此龐大的量子比特陣列需要糾錯技術,這種技術可以檢測並修復許多單獨工作的量子比特中的錯誤。一台實用的量子計算機需要進行全面糾錯,並證明自己具有容錯能力——不受邏輯運算和量子比特測量錯誤的影響——這樣才能真正釋放量子計算的力量,LiDAR表示。

許多專家認為,下一個重要的量子計算里程碑將是在實現量子霸權的量子計算設備中成功進行糾錯的示範。鑑於最新實驗中展示的量子計算架構旨在適應“表面代碼”錯誤校正,Google的團隊有能力實現這一目標。隨著許多研究人員的湧現,幾乎可以肯定會有很多公司在前進超越量子霸權的里程碑。

「你一步一步地向著珠穆朗瑪峰的頂峰前進,」Lidar說,」這不是珠穆朗瑪峰的頂峰,但它肯定是在穿越一座很大的山峰。」