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为什么量子计算与AI一样重要量子计算到底是什么

发布日期:2019-10-28

谷歌在英国《自然》杂志发表的一篇论文中,演示了亚美娱乐优惠永远多一些量子霸权(Quantum Supremacy),即一台可编程量子计算机超越了最快的经典超级计算机。该量子系统只用了约200秒就完成了经典计算机大约需要10000年才能完成的任务。

该文章称,这一成就为量子计算的重大里程碑事件。

谷歌的论文发表之后,其CEO Pichai 认为,谷歌的成就相反对于量子计算来说,意义堪比莱特兄弟1903年的首次试飞对于航空业的价值。

他解释称,莱特兄弟12秒的飞行时间没有实际意义,但是证明可行。同时,他在接受媒体采访时还表示,量子计算和AI,对于谷歌来说是同等重要的。

赞美与质疑

量子霸权(Quantum Supremacy,Supremacy 也有至上之意)首次由美国理论物理学家 John Preskill在2012 年提出,指量子计算机可以做到一些经典计算机所无法实际解决的运算。

John Preskill 发表文章祝贺了谷歌的成就,但认为这次展示的运算并没有任何实用性,专门为实现量子霸权而挑选。他表示,量子计算机真正造福社会,还需要数十年的努力。

值得一提的是,谷歌的论文9月曾在合作伙伴美国宇航局(NASA)网站泄漏,后被撤下。

有报道称,论文被删是因为谷歌的研究尚未经过同行评审和讨论就被 NASA 发表;这是不符合流程的。另一方面,谷歌和 NASA 都拒绝证实论文的真实性。

同为在量子计算方面“资深玩家”IBM则质疑谷歌是否真的实现量子霸权。

在 IBM 研究院的博客上称,谷歌实验的缺陷在于假定超级计算机会受到系统内存存储数据量的限制,而没有充分利用超级计算机的存储潜力。如果按照 IBM 的方法来对超级计算机进行编程,仅需 2.5 天时间就能完成量子计算机耗时 3 分 20 秒的任务量,根本不像 Google 所说的“需要 1 万年”;而且,他们认为,考虑到可能存在的硬件和软件进步,2.5 天还是非常保守的估计。

IBM研究员对谷歌所谓的“实现量子霸权”也不以为然,认为该说法具有误导性,让人们以为自己进入了一个新的计算时代,而量子计算机和经典计算机之间的巨大差异并不会让两者分割,而是在未来协同工作。

IBM 和谷歌之间在量子计算领域“抬杠”可以追溯到2017年。2017 年,Google 声称自己即将在这一领域完成里程碑式的跨越;随后,IBM发表了一些研究成果证伪了谷歌的说法。

2018 年,谷歌发布了一款名叫 Bristlecone 的量子芯片,欲由此实现量子霸权。随后,阿里巴巴量子计算项目研究人员发现,Bristlecone 量子芯片的表现与谷歌的描述有差距。

究竟什么是量子计算?

不仅大公司如谷歌、IBM和阿里巴巴在量子计算方面投入巨大,电气与电子工程师学会(Institute of Electrical and Electronic Engineers)的一篇文章表示,量子计算是中国和美国两个国家都想有所作为的科技领域。

究竟什么是量子计算?

简单解释,就是我们现在所用的笔记本、台式电脑以及手机到超级计算机的 CPU 都通过晶体管的 0/1 二进制状态存储、运算数据,差距在于晶体管数量和运算频率。量子计算以原子存储和计算数据,存储和计算能力以指数提升。

理论上,只要给足够的时间,经典计算机可以解决任何可计算的问题。因此,“量子优越性”的标准是在同一个计算任务上,量子计算机比经典计算机有显著的(指数)加速。

谷歌论文称其研发的 Sycamore 量子处理器有53个量子比特(53 个原子),它的一次运算相当经典计算机 2^53(9x10^15)次运算。

据介绍称,Google 处理器的量子比特由超导材料制成,在 -273.13 摄氏度下工作。此前 Google 曾有 72 个量子比特的处理器,因为难以控制而缩减规模。

不过,就目前而言,量子计算机的运算能力不能简单换算。量子计算机目前还做不到通用运算,只能实现特定的算法,并不能比普通手机产生更多价值。

该技术是“大国重器”?

英特尔公司量子硬件负责人吉姆·克拉克曾说:“量子可能是未来100年的计算技术。这有点像太空竞赛,一代人时间里出现一次”。

从巨头布局和参与研究的机构来看,量子计算,毫无疑问是各国关注的未来关键科技之一。谷歌、IBM、微软、英特尔、华为、阿里巴巴等全球高科技公司都为此投入大量研究力量。

中国方面,2016年8月,中国从戈壁沙漠的发射台向世界发射了第一颗量子卫星。

2017年,科学家利用卫星在中国和奥地利科学家之间进行量子加密的视频通话。

根据Patinformatics的数据,2014年,在美国和中国提交的专利数量相似,但截至2017年,中国的申请量几乎是美国的两倍。

据人民日报报道称,最新的成果是由浙江大学、中科院物理所、中科院自动化所、北京计算科学研究中心等国内单位组成的团队日前通力合作,开发出的具有20个超导量子比特的量子芯片,并成功操控其实现全局纠缠,刷新了固态量子器件中生成纠缠态的量子比特数目的世界纪录。这一进展8月9日发表于美国《科学》杂志。

美国方面,美国总统在2018年签署了《国家量子倡议法案》,将全方位加速量子科技的研发与应用,确保美国量子科技领先地位,开启量子领域的“登月计划”。

根据法案,美将制定量子科技长期发展战略,实施为期10年的“国家量子计划”。政府未来5年内将斥资12.75亿美元开展量子信息科技研究,其中美国国家标准与技术研究院获资4亿美元,制定量子科技发展标准;国家科学基金会获资2.5亿美元,支持量子科技人才建设;能源部获资6.25亿美元,成立量子信息科研中心,加速科技攻关。

此外,美将成立国家量子协调办公室,协调政府机构、学术和产业界,形成发展合力。

目前,美国最好的量子计算机由谷歌,IBM和D-Wave等北美公司制造,由于量子比特错误率高达50%,尚未达到前100量子比特。

IBM今年初在美国拉斯维加斯消费电子展上发布了一款据称可商用的量子计算机“Q System One”。按照最新合作计划,IBM将把该系统安装在德国,目的是在德国建立一个量子计算技术研发中心,选址工作最迟2020年完成。

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