中美争建量子计算机 谷歌领先了?

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中美争建量子计算机 谷歌领先了?

晚来风急 2017-07-03 15:05:00 浏览836
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据英国《新科学家》周刊网站8月31日报道,在美国加尼福利尼亚州某地,谷歌正在建造一台装置,这个装置将很有可能在明年年底建成,并开启计算机的全新时代。《参考消息》9月6日援引该报道称,“这是一台量子计算机,是一台史上最大的量子计算机,它的建造一劳永逸地证明了这一开发新奇物理学疆域的机器完全可以超越全球最好的超级计算机。”

那么,在中美争建量子计算机的竞赛中,谷歌领先了吗?

为什么量子计算机能超越传统计算机

量子计算是一种基于量子效应的新型计算方式。基本原理是以量子位作为信息编码和存储的基本单元,通过大量量子位的受控演化来完成计算任务。

基于量子叠加性原理,一个量子位可以同时处于0状态和1状态,N个量子位可同时存储2的N次方个数据,数据量随N呈指数增长。同时,量子计算机操作一次等效于电子计算机要进行2的N次方次操作的效果……等于是一次演化相当于完成了2的N次方个数据的并行处理,这就是量子计算机相对于经典计算机的优势。

量子计算的优势也十分明显,特别是在超并行计算能力方面,大幅优于经典计算机。例如,求一个300位数的质因数,目前最好的经典计算机可能需要上千年的时间来完成,而量子计算机原则上可以在很短的时间内完成。因此,量子计算在核爆模拟、密码破译、材料和微纳制造等领域具有突出优势,是新概念高性能计算领域公认的发展趋势。

谷歌想用50个量子比特实现量子计算机

谷歌想要建造一个超越传统意义上的计算机早已不是什么新闻。

2013年,谷歌就对D-Wave量子计算机进行了测试,希望能够弄清楚它是怎样改善搜索功能和人工智能的。

2014年,谷歌招聘了加州大学知名物理学家John Martinis,致力于开发自己的超导量子位。

在去年12月,谷歌就曾公布其量子计算机D-Wave2X,谷歌量子人工智能实验室还曾宣布,其量子计算机D-Wave2X的运行速度比传统计算机芯片上运行的模拟装置快1亿倍。

近期,根据外媒的报道,“多名了解谷歌研究进展的科学家表示,在某些计算方面,包含50个量子位的量子芯片已经比传统超级计算机更强大,而在两到三年内能够研制出这样的计算机已经不是什么难事。”《参考消息》也称,“谷歌想用50个量子比特来完成这个任务,50个量子比特是一个雄心勃勃的目标,但并非遥不可及”。

此前,另一篇关于谷歌量子计算机的报道中称,“全球首款商用的量子计算设备正是基于AQC技术……在研究中,谷歌的团队采用了9个固态量子位。这些量子位由十字形的铝制薄膜制成,宽度约为400微米。随后,这些量子位被固定在蓝宝石表面上。研究人员将这些铝制薄膜的温度降低至0.02开尔文(约零下273摄氏度),使金属成为超导体,电阻完全消失。利用这些超导态的量子位,研究人员可以向其中编码信息。”

50个量子比特表述不明确

量子比特可以分为物理比特和逻辑比特。物理比特并不稳定,可能现在有10余个物理比特,但很快就丧失了。因此,不得不通过纠错码过程对10余个物理比特做冗余,最后生成了一个逻辑比特,逻辑比特有很好的容错特性。

量子计算要产生相对于传统计算足够多的优势,有效的逻辑比特的数目必须要大于30的情况下才行,要做出真正的量子计算机则需要几百上千物理比特。

虽然外媒声称谷歌计划完成50个量子比特的目标,但并未说明是物理比特还是逻辑比特,如果是逻辑比特,就量子位的数量而言,确实是够了,但如果是物理比特,50个物理比特距离超越传统计算机的量子计算机依旧有相当大的差距。

有专家认为,国外媒体之所以会采用这样不明确的说法,一种可能是媒体本身不专业,但也不排除另一种可能性,那就是谷歌展示控制大量的物理比特的做法是在量子计算技术领域宣誓其地位,虽然不见得这么快就能做到业界认为能达到的状态,但因为话没说全,不够明确,即便有人想严格追究也拿它没辙。

谷歌曾经公布的D-Wave是量子退火机

量子退火算法则是量子力学的绝热演化过程,模拟了量子力学里的量子隧穿效应。通过让量子效应缓慢下降(绝热演化),找到一个解。

谷歌的D-Wave是量子退火机,算法和一般意义理解的加减乘除的算法是有区别的,一般的算法,比如求开方或求互质是有标准的程序。而蒙特卡罗算法的一个关键步骤就是要形成一些随机数,由随机数去模拟。谷歌的D-Wave模拟了一个量子模型,经过数值分析模拟出量子的势场结构;其量子处理器由低温超导体材料制成,利用了量子微观客体之间的相互作用。因此,其体系是量子力学的。而量子力学在微观层面上和宏观层面上是有区别的,它可以穿透一些势垒结构——比如有一道高4米,厚0.1米的墙,要翻过去必须有矫健的身手。但量子力学层面,有一定的概率普通人可以直接穿墙。在经典层面上,用传统计算机来模拟的话,就必须老老实实的去爬墙,而这就是谷歌宣称快1亿倍的原因所在。

很可能并不是标准量子计算机

按照技术的继承性和延续性,如果谷歌的这台量子计算机依旧是D-Wave的继承和延续的话,如果其量子芯片依旧采用低温超导量子系统的话,那么这台量子计算机就不是一台标准量子计算机,更适合的称呼是量子退火机,或针对特定问题的专用计算机。

因为这种量子计算机只是针对特定环节,做特殊算法的计算机,所以谷歌可以在特定的环节、特定的应用中超过传统计算机,但并不具有普适性。标准量子计算机是具有普适性的计算机,可以运行各种各样的算法,类似于经典计算机,电路等效于图灵机模型,可以把图灵机的各种功能用电路来实现。

计算机的电路由基本的门来构成,而标准的量子计算机也是有这样的一个概念,是由一系列基本的逻辑门来实现量子电路,进而实现各种算法功能。这种量子计算机被称为具有普适性的量子计算机,而谷歌的量子计算机就没有量子计算机对应的门的概念。因此,无法被称为标准量子计算机。

精度很可能无法满足量子计算的要求

诚然,低温超导系统也是可以有逻辑门结构的,像今年5月4日就有媒体报道IBM实现了5比特超导量子芯片。但按照以往的资料,谷歌的量子芯片采用低温超导技术,其操作精度远远达不到量子计算的要求。

相比之下,国内由杜江峰院士带队的研究组在传统的纠错码下达到了更高的操作精度,量子逻辑门精度达到了99.99%,其单比特门精度已经满足容错计算的需求;中国科技大学量子实验室研发的氮化镓半导体量子芯片也达到了90%的精度,在纠错码的辅助下,同样能满足容错计算的精度。因此,在精度无法满足标准量子计算要求的情况下,谷歌只能去玩量子退火或者开发针对特定问题的专用计算机,而非真正的标准量子计算。

本文转自d1net(转载)
  中科大半导体量子芯片

由于目前还没有任何报道谷歌的量子芯片采用了新的系统,笔者只能认为谷歌依旧采用低温超导量子点系统,那么,其操作精度很有可能是无法满足量子计算要求的。

谷歌宣传的黑科技中不乏失败的项目

一直以来,谷歌以其频频亮相于媒体的黑科技赚足了眼球,例如媒体报道谷歌推进全球免费无线网络(Wifi)覆盖计划、旨在用太阳能无人机做WIFI热点提供服务的Skybender项目等。虽然在宣传上,这些项目噱头十足,甚至有国内媒体惊呼,“墙要倒了”、“三大运营商要完”,但从现实情况来看,谷歌的一些科技项目大多无疾而终。

以全球免费无线网络(Wifi)覆盖计划来说,在2014年《华尔街日报》报道,谷歌计划花费超过10亿美元来部署数百个近地轨道卫星,为全球偏远地区的居民提供互联网接入服务。不过至今项目进度也异常缓慢,其项目负责人雷格·维勒更是在上任数月后就离职,不排除该计划已经处于僵尸状态。

无独有偶,Skybender项目也是如此。在2014年,谷歌收购了当时还只有20名员工的泰坦航空航天公司致力于开发无人机,谷歌宣称除使用卫星外,还会采用无人机提供WIFI热点,泰坦航空航天公司在当年宣称能在2015年首次付诸商业运作。但在实践中,谷歌和泰坦航空航天公司也遭遇了滑铁卢——2015年5月,Solara 50在升空后不久便在新墨西哥州测试基地坠毁;泰坦航空航天公司创始人马克西姆·雅尼在2015年5月,以抵押欺诈罪入狱则更是雪上加霜。

谷歌开发所谓“黑科技”的目的

诚然,谷歌的科技项目并非全都如此,成功的也有不少,比如安卓操作系统,但确实有很多曾经宣传的出神入化的项目最后无疾而终。那为何谷歌依旧要这般高调的开发各种黑科技项目呢?这其中主要有以下几个因素:

一是能够给公司打扮高科技光环,以提升股价。正如阿尔法狗决战李世石,在1月28日曝出了谷歌人工智能围棋击败欧洲冠军,以及谷歌拿出100万美元作为奖金挑战李世石的消息后,当日谷歌股价涨幅4.42%,换算成市值涨了200亿美元;在3月9日第一局打败李世石后,谷歌股价从710美元涨到了750美元……

二是一旦项目成功,其回报非常惊人。正如安卓操作系统的成功,给谷歌带来了非常丰厚的回报——根据甲骨文公司代理律师在法庭上披露,谷歌安卓操作系统已经创造了310亿美元营收,220亿美元利润,利润率达70%。正是这种科技项目如此高的收益,使得谷歌愿意频频投资一些高风险、高回报的项目。

回到量子计算机这个话题上,对于一个只能执行特定算法,解决特定问题的量子计算机,谷歌为何如此热衷呢?笔者猜测,很有可能是因为量子退火机,或针对特定问题的专用量子计算机运行的这些特定的算法和谷歌最关心的领域有关,比如用于搜索。另外,麻省理工学院林肯实验室的高级职员William Oliver认为,这些特定算法可能非常有利于模式识别和机器学习。

结语

要构建量子计算机有两个要求,一个是量子逻辑门精度足够高,另一个是逻辑比特数量足够多。按照媒体报道的现有资料,谷歌的低温超导量子系统在精度上很可能无法满足量子计算的要求,而且50个量子比特的描述很难让人确定这到底是物理比特,还是逻辑比特。而媒体报道中的AQC技术是绝热量子计算,基于AQC技术的设备现在大多都在做专用量子计算。

因此,笔者猜测,谷歌这台所谓开启计算机的全新时代的量子计算机很可能并非标准量子计算机,要么是一台量子退火机,是D-Wave量子计算机技术的发展和延续,要么是一台针对特定问题的专用计算机。

不过,即便谷歌建成的并非标准量子计算机,从技术进步角度看,也是一个值得称道的飞跃。

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