谷歌量子计算突破,川普之女:美国实现量子霸权

2019-10-25      来源:英山房地产   浏览次数:66

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自然最新封面报告

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温/边策栗鱼羊李根

资料来源:量子位(身份证:量子位)

谷歌突破一小步,人类科学迈出一大步。

这一突破是由CEO皮查伊本人宣布的,该论文发表在《自然》150周年特刊上,各大主流媒体的头条,整个网络的人气第一,就连特朗普的大女儿伊万卡也忍不住第一时间发来贺电:

官方声明。美国已经实现了量子霸权!

是的,这是200秒量子计算的突破= 10,000年来地球上最强的超级计算。现在谷歌以最隆重的形式向公众宣布,超越了电脑对猫的识别,超越了阿尔法围棋水平空。

此外,谷歌首席执行官无法掩饰自己的兴奋。就像飞机第一次被发明的那一刻——莱特兄弟的飞机第一次只飞行了12分钟,但它证明了飞机飞行的可能性。

这是一个历史性的时刻,谷歌第一次透露它已经努力工作了13年。

量子优势首次实现

量子至尊,伊凡刺刀下的“量子霸权”,谷歌更愿意将其翻译成量子优越

坦率地说,量子优势意味着一台强大的量子计算机可以完成经典计算机在未来某个时间几乎不可能完成的任务。

例如,破解可能在一天内破解数万年的密码,实现通用人工智能,并快速模拟分子模型。

在此之前,这种里程碑式的突破还处于试验阶段,从未实现。

但是一个月前,谷歌的论文草稿“意外”在美国宇航局官方网站上发布。结果非常令人震惊,称200秒的量子计算达到了10,000多年来最强的结果。

但却发现报纸匆忙下架,反而引起了更多的关注。

当时,公众舆论爆发了。一些人认为谷歌已经成为一根“魔杖”,而另一些人认为它已经因为美国的国家安全而被下架。

更直接的来自竞争对手的攻击,IBM甚至发表了一篇特别的论文质疑谷歌的“误导公众”

现在,这篇论文正式发表在《自然》杂志上。谷歌CEO劈柴哥和骄傲官宣布谷歌人工智能团队已经实现量子优势,并在博客中强调:

“就像第一枚火箭成功逃离地球引力,飞到太平洋空的边缘。这一突破向我们展示了什么是可能的,什么是看似不可能的。

这就是这个里程碑对量子计算世界的意义:充满可能性的时刻。"

皮查伊补充说,谷歌已经为此努力了13年。有一段时间,他对有限的进展感到沮丧。

在量子计算领域,谷歌的攻击始于13年前。

2006年,谷歌科学家哈特穆特·内文(Hartmut Neven)开始探索一种新的想法——利用量子计算加速机器学习,并诞生了谷歌人工智能量子团队。

然后在2014年,美国物理学会的约翰·马丁尼斯院士加入谷歌,担任谷歌量子硬件首席科学家,领导量子计算机的建设。

两年后,量子计算理论首席科学家塞尔吉奥·博伊索(Sergio Boixo)发表了一篇关于自然通讯的相关论文,最终将团队的工作集中在量子优势计算的任务上。

这是一场科学研究的马拉松。一切从头开始。即使对谷歌的明星团队来说,这样的工作也是一个巨大的挑战。

事实上,直到去年10月,谷歌在量子优势方面的进展还是有限的。

然而,从未想到加州野火会在2018年10月消失。出于安全原因,谷歌不得不暂时关闭在圣克拉拉的实验室,所有科学家都被迫休假。

然而,正是在这一时期出现了新的想法,并发生了真正的转变。

皮查伊还对量子计算不是一个确定的未来感到遗憾,并且不容易相信并坚信它能够实现。

然而,谷歌一直认为量子计算可以加速解决一些世界上最紧迫的问题。量子计算可以为人类在分子尺度上理解和模拟自然提供前所未有的机会。

皮查伊还说,量子计算将是人们在经典计算机上所做工作的一个巨大补充。量子计算给计算带来了一个完整的循环。

然而,即使现在里程碑已经到来,皮查伊也警告说,这只是可行性的证明,还不是大规模商业运作立即生效的时候。我们需要继续克服困难,勇往直前。

意外泄漏

正如开始提到的,在《自然》出版之前,谷歌对量子优势的研究曾短暂出现在美国宇航局官方网站上。

然后出现了一个问题,为什么美国宇航局要释放它?为什么它会很快从货架上撤下来?

据英国《金融时报》报道,谷歌去年开始与美国国家航空航天局合作,并设定FLAG:到2019年实现量子优势(Quantum Superiority),即让量子计算机拥有比经典计算机多得多的计算能力,完成经典计算机无法完成的计算。

计划是将在量子计算机上运行的结果与经典模拟(在经典计算机上模拟量子电路)进行比较。

双方使用的量子芯片叫做刚毛藻(Bristlecone),有72个量子位。刚毛藻不得不将超导电路保持在绝对零度附近,所以它不能离开谷歌的实验室。美国宇航局的研究人员只能通过谷歌的云应用编程接口远程连接芯片。

根据协议,双方将在2019年初对美国宇航局最强超级计算机昴宿星运行模拟所需的软件进行编码,并在今年7月比较量子电路模拟和谷歌量子计算机硬件的结果。

谷歌和美国国家航空航天局一直都很乐观,但业内也有人想丢掉这面旗帜。阿里巴巴数据基础设施和搜索技术部的研究人员发表了一篇论文,认为可能需要具有较低错误率的量子芯片来实现量子优势。

南加州大学量子信息科学与技术中心主任丹尼尔·激光雷达也表示怀疑。“似乎还有其他方法可以抑制错误,”他在接受麻省理工学院《科学技术评论》采访时说。

如果通过同行评审,这意味着旗帜还没有落下,量子计算将进入一个新时代。

那为什么美国宇航局在论文发表后不久就撤回了它?

《财富》杂志报道说,当时研究结果还没有经过完全的同行评审。

仅仅一个月后,这篇论文发表在《自然》杂志上。可信度已经大大提高,量子计算的新时代已经真正到来。

那么论文的内容是什么?

论文详细信息

撤回论文一个月后,谷歌终于在《自然》杂志上发表了这篇文章。

谷歌在摘要中说:

“我们使用具有53个超导量子位的可编程处理器,在空之间占据253≈1016。重复实验的测量结果将采样相应的概率分布。”

经典计算机中的比特只能处于0或1状态,而薛定谔猫告诉我们猫可以处于死态和活态的叠加状态,量子比特可以同时处于0和1状态。

一个量子位只能代表2个状态,2个量子位可以代表4个状态,3个量子位可以代表8个状态,依此类推。

由于量子力学中物体的状态在这种叠加态空中演化,再加上不同量子位之间的耦合,可以模拟更多的状态。

因此,模拟1016个状态只需要53个量子位,这超出了当今超级计算机的计算能力。

说到量子计算机的基本概念,让我们看看谷歌量子计算机的硬件。

谷歌称这种实现量子优势的量子处理器为“西卡莫尔”。它由54个transmon量子位组成的二维阵列组成,每个量子位都与周围的4位耦合。

上图显示了Sycamore处理器的布局,它由54个量子位(由灰色x表示)组成,每个矩形通过耦合器(由蓝色正方形表示)连接到其四个最近的邻居。

整个处理器的外观与普通的中央处理器芯片非常相似。

处理器由铝制成,实现低温超导约瑟夫森结,并使用铟在两个硅片之间制作凸点。芯片通过导线连接到超导电路板,并在稀释制冷装置中冷却至20毫安以下。

这个温度只比绝对零度高2%。天气如此寒冷的原因是为了将环境热能降低到比量子势能低得多,并防止外部热量对量子处理器的干扰。

处理器通过滤波器和衰减器连接到室温电子设备,后者可以合成控制信号。所有量子位的状态可以通过使用频率复用技术同时读取。

为了完全控制量子处理器,谷歌还精心设计了277个数模转换器。

那么谷歌,利用量子力学的原理,以及如此复杂的量子硬件来解决什么问题呢?

经典计算不擅长解决的正是量子电路采样问题。在这个问题上,经典计算机的计算能力似乎捉襟见肘。

每次在量子计算机上运行随机量子电路时,都会生成一个位串,例如00000101。由于量子干涉,当进行重复实验(采样)时,一些比特串比其他比特串更有可能出现,就像激光穿过狭缝后形成的散斑一样。

然而,随着量子比特数n(宽度)和门周期数m(深度)的增加,用经典计算机为随机量子电路寻找最可能的位串变得越来越困难。

在实验中,谷歌首先运行了一个12到53量子位的随机简化电路,以保持电路深度不变。

在验证了系统的正常运行后,谷歌运行了一个随机的硬件电路,有53个量子位,深度也在增加。当深度m增加到20时,经典模拟变得完全不可用。

在量子处理器上获取一百万个样本需要200秒,而在一百万个内核上执行等效保真度经典采样需要10,000年,验证保真度需要数百万年。

谷歌在文章中只展示了量子计算机的一个应用,它可以用来解决未来的问题,包括量子物理和量子化学模拟。

量子计算的突破还可以促进机器学习的新应用,并加速解决世界面临的一些最紧迫和复杂的问题。比如气候变化模拟,比如探索哪些分子可以制造更有效的药物。

IBM拒绝接受,指责谷歌欺骗

许多科技公司都从事量子计算机研究,包括传统的信息技术巨头如IBM和微软,以及互联网公司如阿里巴巴。

在谷歌正式宣布其论文的前一天晚上,IBM选择了与谷歌竞争。

蓝色巨人说谷歌关于量子优势的说法是有缺陷的。因为谷歌实际上没有充分利用超级计算机的全部能力来竞争。

谷歌拒绝置评。

用简单的语言来说,IBM的说法是谷歌调整了基线。谷歌最初在论文中指出,他们的量子计算机只用了200秒就解决了一个需要10,000年才能解决的问题。

然而,国际商用机器公司表示,事实上这个问题并不像谷歌宣传的那么难。如果有时间进行优化和改进,只需2.5天就能解决问题。

尽管这一时间仍然比量子计算机所需的时间长得多,但它离我们很远。

在IBM看来,所谓的量子优势是做经典计算机做不到的事情,而谷歌显然没有做。

国际商用机器公司量子计算研究员杰伊·甘贝塔(Jay Gambetta)表示,该公司并没有与谷歌对抗,而是试图避免过度宣传“量子优势”这个词。

有些人还认为,谷歌是否实现量子优势并不重要,在IBM和谷歌的争吵中谁是谁非也不重要。

重要的是,在这些巨人的竞争下,量子计算技术正在飞速发展,超出了我们的想象。

两位首席科学家领导

塞尔吉奥·博伊索(Sergio Boixo)是谷歌人工智能量子实验室的首席量子理论科学家,也在南加州大学电气工程系任教。

他的研究领域是玻色-爱因斯坦凝聚、量子信息、量子计算、量子通信等。目前,他在该领域发表了84篇论文,共引用文献3259篇。

谷歌人工智能量子实验室的约翰·马丁尼斯是量子硬件的首席科学家。他是NIST院士和美国物理学会院士。他也在加州大学圣巴巴拉分校工作。

约翰·马丁尼毕业于加州大学伯克利分校,在那里他获得了两个物理学学士和博士学位。

后来他加入了国家标准研究所(NIST),在此期间他还发明了串联阵列超导量子干涉仪(SQUID)放大器。

1993年,他开始建造基于超导传感器和SQUID系列阵列的高分辨率x光微量热计。这项工作已经发展到包括应用在x光微分析和天体物理学,以及光学和红外天文学。

2010年,他因首次演示了机械振荡器系统中的量子基态而获得“年度科学突破”奖。

2014年,他获得伦敦超导量子比特低温物理学奖,同年加入谷歌领导量子硬件研究。

还有一件事

最后,在这个历史性的时刻,让我们从比萨对麻省理工学院技术评论的采访中得出一些答案:

我对这一里程碑时刻感到兴奋,但我确实想提醒大家,这只是被证实的可能性的开始。真正的大规模变革需要很长时间,甚至10年,但我们可以对技术发展的速度持乐观态度。

当我们回顾深蓝在1997年击败卡帕罗夫(Kaparov)和阿尔法戈(AlphaGo)在2016年击败李世石时,或许突破所需的时间并不太短,但当这样的时刻到来时,会有更多的人加入进来,加入进来。这就是我们人类取得进步的方式。

此外,目前的形势是如此令人兴奋。我们正处在一个划时代的技术循环中。人工智能将加速量子计算。量子计算也将加速人工智能。人类面临的巨大挑战和问题现在有了机会。

入口

谷歌博客:

http://www . blog . Google/perspectives/sundar-pichai/what-our-quantum-computing-milestone-means/

原创文章:

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5

IBM论文:

https://arxiv.org/pdf/1910.09534.pdf

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