桃子拉燕【新智元導讀】量子霸權最終花落誰家？谷歌研究稱，最新量子計算機在幾秒鐘完成世界經典超算47年的計算，創下新里程碑。谷歌再次實現了「量子霸權」？近日，谷歌宣稱，他們的量子計算機在短短6秒，完成世界最先進計算機47年的計算量。沒錯，47年被凝結成瞬間。谷歌研究團隊的最新發現已發表在arxiv上。
論文地址：https://arxiv.org/pdf/2304.11119.pdf論文稱，谷歌最新Sycamore量子處理器目前擁有70個量子比特，而2019年版本只有53個量子比特。量子比特的增加，意味着可以成倍地提高量子計算機的性能，這使得新處理器的穩健性大約是以前的2.41億倍。最新研究將標誌着，量子計算迎來里程碑時刻。憑藉其計算優勢，谷歌的量子計算機有望徹底改變包括人工智能在內的各個領域。以前所未有的速度解決複雜問題，有望解鎖下一代人工智能模型，突破許多領域從未超越的界限。
47年被凝結成瞬間
每個量子比特可以同時存在於0、1或疊加的狀態，因此存儲和處理這種級別的量子信息的能力很不容易，即使是最快的經典計算機也無法比擬。谷歌團隊在一篇論文中表示，量子計算機有望執行超出經典計算機能力的任務。「我們根據改進的經典方法估算了計算成本，並證明我們的實驗超出了現有經典超級計算機的能力。」就算是田納西州的Frontier超算（這已經是目前全世界最快的超算了），也碰不了量子計算機的瓷。當然前提是量子計算機釋放出自身的潛力。因為傳統的計算機用二進制的代碼語言運行，僅限於0和1，以及雙重狀態。而量子計算機超越了這個限制。不過，目前研究人員還不能確定谷歌量子計算機的製造成本究竟是多少。但變革性的計算能力是毋庸置疑的。根據谷歌團隊的說法，Frontier超級計算機只需6.18秒即可匹配谷歌-53量子比特計算機的計算結果。然而，同樣的一台Frontier則需要47.2年才能與谷歌最新的70量子計算機所能提供的計算能力相匹配。領域內的許多專家都認為谷歌的新量子計算機是一項重大進步。劍橋量子公司Riverlane的CEO Steve Brierley將谷歌的進步稱為一個「重大里程碑」。「量子霸權？這個問題我們不用再爭論了。」同樣，蘇塞克斯量子技術中心主任的一位教授讚揚谷歌解決了傳統計算機難以計算的某些特定學術問題。他強調，在我們眼前關鍵的下一步，是創建能夠糾正自身固有操作錯誤的量子計算機。雖然IBM尚未對谷歌最新的量子計算機置評，但明顯，谷歌在量子計算領域的這一進展引起了全球研究人員和公司的共同關注。毫無疑問，這將為計算技術的發展開闢新的前景和競爭。研究中，團隊提到噪聲與相干演化相競爭，並破壞了長程相關性，這使得充分利用近期量子處理器的計算能力成為一個巨大的挑戰。研究人員進行了隨機電路採樣（RCS）實驗，在這些實驗中，他們確定了由量子動力學和噪聲之間的相互作用驅動的不同階段。在量子計算中，這涉及通過運行隨機電路，並分析結果輸出來測試量子計算機的性能，以評估其解決複雜問題的能力和效率。在電路深度的驅動下，系統首先經歷動態相變，其中輸出分佈不再集中在比特串的一部分中。第二個是由噪聲驅動的轉換。利用交叉熵基準，研究人員觀察到了階段邊界，這可以定義噪聲量子演化的計算複雜性。在模擬的估計計算成本，比起經典計算機，53量子比特完成1百萬個噪音樣本比其快6.18秒。而70量子比特要快47.2年。最後，谷歌團隊展示了一個24周期70量子比特的RCS實驗，估計保真度為1.7-107%，這意味着在相同保真度下，電路體積增加了約60%。谷歌根據改進的經典方法估算了計算成本，並證明了新量子計算機有着超出了現有經典超級計算機的能力。
70量子比特的Sycamore實現了量子優勢谷歌團隊表示，儘管迄今為止RCS已經取得了成功，但尋找近期噪聲量子處理器的實際應用仍然是一個突出的挑戰。他們進行的實驗就提供了量子動力學如何與噪聲相互作用的研究。觀察到的相界為高噪聲量子器件能夠正確利用其計算能力的7個體系提供了定量指導。在弱噪聲階段，全局相關性主導XEB，這一事實保護了RCS免受欺騙的攻擊，這些都是未來應用的設計方向。
「量子霸權」成烏龍？
其實，早在2019年，谷歌便聲稱實現了量子霸權。研究人員在NASA網站上發表的論文一經發佈，便引起了轟動。論文稱，谷歌處理器能夠在3分20秒內執行一個計算，而用當今最強大的超級計算機Summit進行同樣的計算，需要約10000年。隨後，谷歌這篇論文正式在Nature上重磅發表。論文通訊作者 John Martinis和同事描述了實現量子霸權所取得的技術進展。他們研製了一台由54個量子比特組成的處理器(名為 Sycamore處理器)。該處理器利用量子疊加和量子糾纏實現的計算空間與經典比特所能達到的相比，實現了指數級的增加。由於有1個量子比特無法有效工作，處理器實際只用了53個量子比特。研究團隊開發的糾錯流程可以保證較高的運算保真度（高達99.99%）。為了測試該系統，團隊設計了一項對量子電路產生的隨機數字進行採樣的任務。對於經典計算機來說，這一任務的難度會隨量子電路中量子比特數的增加而增加。最後，量子處理器在200秒左右的時間內從量子電路中採集了100萬個樣本，而當今最強大的超級計算機大約需要1萬年的時間才能完成這一任務。Nature表示，「谷歌實現量子霸權無疑是一項了不起的成就」。然而，針對谷歌「量子霸權」事件的批判和質疑也隨之而至。IBM團隊寫道，「在一個經典的系統上，同樣的任務的理想模擬可以在2.5天內完成，而且保真度要高得多。」這意味着谷歌實際上並沒有表現出量子霸權，而且競爭仍在繼續。
微軟、IBM也下注
除了谷歌，IBM、微軟也在量子計算機上押注未來。在微軟看來，未來十年最大的創新可能是在聚變能源、人工智能和量子計算領域。6月，CEO納德拉曾公佈了微軟宏偉目標，10年內建造出量子計算機。將未來250年的化學和材料科學進展壓縮到未來25年。Azure Quantum Elements通過整合高性能計算（HPC）、人工智能和量子計算的最新突破，可以加速科學發現。值得一提的是，Azure Quantum中的Copilot幫助科學家使用自然語言來推理複雜的化學和材料科學問題。前段時間，IBM量子計算機登上了Nature封面。IBM、加州大學伯克利分校的Nature論文展示了，一條通往有用量子計算的道路。研究首次證明，100+量子比特的量子處理器，可以產生精確結果，並達到超越領先的經典方法。最重要的是，無需糾錯就可超越經典計算機。論文中，研究人員在IBM127量子比特鷹（Eagle）量子處理器上模擬了磁性材料的行為。至關重要的是，他們設法繞過了「量子噪聲」，取得了可靠結果。要知道，量子噪聲會引入計算誤差，是這項技術的主要障礙。有研究統計，自2015年以來量子計算的投資走勢不斷上漲。與經典計算相比，量子計算具有徹底改變行業和以指數級速度解決複雜問題的潛力。量子計算機的突破可能會徹底改變許多領域，從藥物發現到氣候建模、金融建模，甚至人工智能，其潛力是巨大的。
具體來講，對不同領域的影響：
-密碼學：增強加密和解密算法。
-藥物發現：加速新藥的開發。
-優化問題：解決複雜的優化挑戰。
-機器學習：改進模式識別和數據分析。
-財務建模：加強財務風險分析和預測。
-材料科學：設計具有特定特性的新型材料。
-天氣預報：提高天氣預報的準確性。
-量子化學：模擬和研究化學反應。
-人工智能：增強人工智能算法和訓練模型。這次，谷歌的新量子計算機標誌着速度和潛力的突破性進步，開啟了一個具有跨多個行業變革意義的計算新時代。
