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无限接近量子霸权?谷歌借 NASA 之手验证并改善量子计算潜力

2018-11-06
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作为全世界寄予厚望的新型态计算架构,量子计算一直以来都被当作全球量级的技术发展核心,然而从 10 年前,D-Wave 最早的量子计算机上市以来,至今量子计算仍只能用来解决特定的问题,而最重要的目标:全面取代传统经典计算机,达到真正量子霸权的目的,至今仍遥遥无期。


量子霸权的条件


前不久,中国国防科技大学吴俊杰团队与上海交通大学金贤敏合作,也定义出一套所谓量子霸权的衡量方式,其作法是以国内最强的超级计算机天河二号为基础,通过模拟,天河二号模拟 50 个光子的玻色采样需要约 100 分钟,若使用量子计算设备达到同等计算能力,就可视为达到量子霸权。


(来源:GOOGLE)


另一个常被当作量子霸权的重要指标是量子比特 (Qubit) 数量,但这个指标在各家科技大厂的竞争之下,已经逐渐被满足,甚至超越。比如说,IBM 在 2017 年底推出了具备 50 量子比特的计算机,而英特尔则是随后在 2018 年初宣布量产 49 量子比特芯片,谷歌也不落人后的紧接着英特尔宣布推出 72 比特的量子计算处理器。


由于量子比特的数量已经达到一定的规模,在纯粹算力要达到天河二号的标准也只是时间早晚而已,然而这样就算符合了量子霸权的标准吗?恐怕没有这么乐观,由于在最重要的算法软件上的欠缺,以及量子计算本身的物理限制,要全面取代传统经典计算还是有相当大的困难,这也让量子霸权的最后一里路,显得遥遥无期。


谷歌与 NASA 合作要跨过量子霸权的最后一道门槛


为了让量子计算能够全面超越经典计算架构的算力和应用呈现,谷歌与 NASA 在今年 7 月签署了一项协议,协议中要求 NASA 分析谷歌量子计算架构上运行的量子电路的结果,并且与经典计算模拟进行比较,通过这项工作,支持谷歌验证其量子计算硬件,并从而达到量子霸权的目的。


谷歌已经向《麻省理工科技评论》证实,该协议将以名为 Bristlecone 的最新款 72-qubit 量子芯片为基础,进行一连串的模拟与验证工作,最终将展示其在取代经典计算上的可行性。事实上,早在这个协议被揭露之前,谷歌早就已经和 NASA 在量子计算上进行了多种合作,这次的合作可说是协助谷歌达成量子霸权的最重要步骤,那就是验证谷歌的量子计算在经典计算的模拟结果,从而改善谷歌的量子芯片的设计。


(来源:GOOGLE / NASA)


由于量子计算电路必须保持在接近绝对零度,无法把量子计算机从谷歌的实验室转移到 NASA 的实验室,因此,其具体的做法是 NASA 的硅谷爱姆斯研究中心的量子人工智能实验室(QuAIL)将通过谷歌的云 API 服务连接至 Bristlecone 量子计算机,而谷歌则是分享当前针对量子计算架构的经典计算模拟量子电路的软件,让 NASA 得以进一步的改善这个软件。


谷歌和 NASA 将共同研究把各种优化和采样问题映射到 Bristlecone 量子计算架构上,而预计在 2019 年初,当二者在模拟的问题和初始目标达成一致时,NASA 將在其位于 Ames 的 petaflop 规模的 Pleiades 超级计算机上编写运行这些模拟所需的软件。Pleiades 是 NASA 最強大的超级计算机,目前在全球排名前 25 位。


通过 Pleiades 的计算,NASA 也预计在协议签署之后的 1 年内,将把其基于量子电路的经典模拟结果和谷歌硬件结果进行比较。


如果二者的模拟结果高度一致,那么或许就有可能直接宣布量子霸权的达成,若没有,谷歌也有 5 年的时间去完善、改进其电路仿真技术,达成更有效的汇编及电路仿真结果,从而满足其量子霸权的目标。


该协议也指出,谷歌打算以开源的形式发布其软件开发套件,从而完善整个量子计算环境。而根据 《麻省理工科技评论》的推论,该开发套件应该就是用于创建量子电路的开源软件 Cirq,这是在今年夏季时宣布的,谷歌当时宣称计划在云服务中提供 Bristlecone 量子计算,而 Cirq 正是作为其对应接口。


量子霸权的最后一里路?


今年 5 月,阿里巴巴量子实验室施尧耘团队宣布于近日成功研制当前世界最强的量子电路模拟器,名为“太章”。基于阿里巴巴集团计算平台在线集群的超强算力,“太章”在世界上率先成功模拟了 81(9x9)比特 40 层的作为基准的谷歌随机量子电路,之前达到这个层数的模拟器只能处理 49 比特。


(来源:阿里巴巴量子实验室)


而太章的模拟结果显示,谷歌量子计算架构的规模和正确性仍不足以撑起量子霸权这个称号。


另外,南加州大学量子信息科学与技术中心主任 Daniel Lidar 对此也表示怀疑的态度,认为量子计算仍需要一些额外型式的错误抑制机制,否则其正确性恐怕很难负担新型态经典模拟计算方法的演进。当然,他也不排除通过与 NASA 合作,谷歌达成量子霸权的可能性。


在量子计算的道路上,谷歌是否能成功取得霸权地位,可能就要看未来 12 个月其和 NASA 的合作成果了。


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