当地时间10月23日,美国科技巨头谷歌公司正式宣称其实现了量子计算领域的重要里程碑——“量子霸权”。为什么说“正式”呢?因为早在一个月前,谷歌曾摆过一次“乌龙”。

  当时,它在美国国家航空航天局(NASA)官网上发表了一篇论文,也是如此这般宣称掌握“量子霸权”,但这篇论文很快又被删除了。而本周三,它的再次面世就多了一道“权威认定”光环——刊印在当天发行的最新一期《自然》杂志上。

  如果这一成果被“实锤”的话,将是个历史性的宣言,意味着量子计算机距离实用又迈进了一大步。

  有趣的是,谷歌的主要竞争对手IBM很快就对此做出了回应。IBM表示,谷歌离实现“量子霸权”这一远大目标还有十万八千步,并呼吁业界都以怀疑的态度来对待这一“历史性的宣言”。

  200秒内完成超级计算机一万年的运算?

  据《卫报》报道,当地时间10月23日,谷歌宣布自己赢得了“量子霸权”竞赛。该公司一个实验性量子处理器在200秒内完成的运算,需要让目前全球最快的超级计算机工作一万年。

  这篇发表于《自然》杂志的论文显示,谷歌“量子霸权”小组的组长名叫约翰·马丁内斯(John Martinis)。在他的领导下,“量子霸权”小组建造了一个名叫“Sycamore”的超导量子处理器。该处理器利用量子物理学的“诡异”来处理棘手难题。

  


  ▲约翰·马丁内斯(最右)和他的部分研发小组成员。图源:物理世界新闻杂志

  为了证明这个处理器的计算能力,谷歌的研究人员们为它精心设计了一项任务,即检查一系列数字的随机性。他们声称,量子计算机在200秒内所经历的一切,将让位于美国田纳西州橡树岭国家实验室的超级计算机“Summit”忙碌1万年。而“Summit”,目前是公认的全球最强大的超级计算机。

  “这个实验有点难做,”马丁尼斯说。“当我们在小组中提出这个建议时,成员们花了一段时间来理解并使之生效,所幸大家最终还是做到了。”作者在论文上写道:“据我们所知,这个实验是人类历史上第一次只能在量子计算机上进行的计算,量子处理器因此达到了‘量子至上’的状态。”

  IBM泼冷水,呼吁业界都来质疑

  据了解,传统计算机和量子计算机截然不同。当传统计算机用“位”进行计算时,它必须是0或1,而量子计算机有“量子位”,可以取0到1之间的任何值。

  以“666”这个数字举例,用传统计算机的二进制表示,它是“1011011010”,需10个电子比特;而量子计算机的表达方式,可以是66.6%概率的状态A加上33.4%概率的状态B,只用1个量子比特就能表达该数字,效率比前者高10倍。

  事实上,量子计算机比传统计算机更具优势的概念可以追溯到1980年代初期。到了2012年,加州理工学院教授约翰·普雷斯基尔又创造了“量子霸权”(Quantum Supremacy)一词。

  


  ▲谷歌Sycamore量子芯片。图源:谷歌

  所谓的“量子霸权”是指当量子计算机发展到50个比特时,计算能力将全面超越世界上最快的传统计算机,实现“称霸”。而谷歌和IBM,也已分别于2017年11月和2018年3月宣称实现了50个和72个量子位的原型机。

  当然,作为谷歌在量子计算机领域的最大竞争对手,IBM公司第一时间对它的宣言作出了回应。

  IBM表示,谷歌的说法有误导性,因为它的计算方式有漏洞,所以并没有实现“量子霸权”这一远大目标。而且,谷歌低估了IBM的超级计算机“Summit”,“它实际上可以在2.5天之内完成这些计算,若优化编程,这个时间还能缩短。”

  同时,IBM还呼吁业界都抱持谨慎怀疑态度:“我们敦促业界用质疑的态度来对待这一历史上的首次‘宣称’,即量子计算机能够实现经典计算机不能实现的任务。”为此,IBM还提出“量子优势”概念,认为应该在一个真实应用场景,比如金融服务、AI、化学中,来对比量子计算机和经典计算机的工作。

  堪比当年莱特兄弟?谷歌获得众多力挺

  面对IBM的质疑,谷歌“量子霸权”组组长马丁尼斯很自信:“我们期待着让他们(IBM)查看我们的数据,并进一步验证我们的结果。”而谷歌发言人则表示:“我们已经摆脱了传统电脑,走上了完全不同的轨道。”

  谷歌CEO桑德尔·皮查伊把此次成果比作“制作首枚到达太空的火箭”。皮查伊认为,这一突破是朝着使用量子计算机解决现实世界问题迈出的一步,比如发明新药、设计更高效的电池、用更少的能源制造化肥等。

  


  ▲谷歌CEO桑德尔·皮查伊与圣巴巴拉实验室内的量子计算器。图源:法新社

  马里兰大学物理学家、量子计算初创公司ioq联合创始人克里斯托弗·门罗认为,谷歌的论文可能是量子计算领域的一个里程碑,但它本质上还是一篇学术论文。他说:“除了用来解决一些在使用普通电脑很难解决的问题之外,量子计算不太可能对所有事都产生影响。”

  但门罗补充说,开发实用量子计算机的工作正在“前进”。他表示:“这些设备可能有助于解决一系列问题,从物流管理、大分子模拟到药物研发……类似这样的问题只能在量子计算机上解决。”

  总部位于剑桥的量子软件公司Riverlane首席执行官史蒂夫·布里尔利表示:“这显然是一项了不起的成就。我认为,未来当人们回首过去,盘点‘真正改变量子计算领域的时刻’时,这一定是其中一个。我们应该停止谈论具有负面内涵意味的‘量子霸权’,继续谈论量子优势,这是一个有用的应用。”

  在本期《自然》杂志的另一篇文章中,美国麻省理工学院的物理学家威廉·奥利弗将谷歌的成就与莱特兄弟的首次飞行进行了比较——莱特飞行器并不是第一个能飞行的飞行器,也没有解决当时的任何紧迫问题,但它展示了一种全新的可能性,其涵义在几十年后才变得清晰。奥利弗说:“最重要的是事件所代表的内容,而不是它实际完成的内容。量子计算至上的第一次报告就是这样。”

  量子计算机的未来?运用领域广泛

  计算机科学家们普遍认为,要想使量子计算机变得有用和普遍,必须克服一些难以克服的障碍。但随着科技公司投入巨资(迄今约10亿美元,还有更多的资金在酝酿之中),如今许多研究人员都相信,在未来10年左右的时间里,基本量子设备将与传统计算机结合使用。

  


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  谷歌量子计算器。图源:谷歌

  科学家们期望量子计算机能产生影响的一个领域是药物研发。在开发新药的过程中,量子计算机能够描绘出数以万亿计的分子组成,并将其中最可能有效的组合快速识别出,看看哪些分子或组合可能与生物分子结合,并在体内起到一些有效的作用。量子计算机的运算速度可以保证通过一次分析整个分子库,来确定最有希望的候选药物。

  一些初创公司将量子计算机视为一种设计全新材料的手段,包括通过模拟其内部亚原子粒子的量子行为,设计出更高效的电池。此外,它还被认为可以在天气预报领域证明自己强大的处理能力。将来,量子计算机也会被用于金融建模中,大量的变量决定着金融市场走势,而量子计算可以帮助消除数据盲点,防止毫无根据的金融假设造成损失。

  量子计算机的到来也许并不能让每个人都感到高兴。它原则上可以破解传统计算机无法破解的加密,但这需要1亿个量子比特位的计算能力,换句话说,是谷歌“Sycamore”量子处理器计算能力的近200万倍。

  红星新闻记者 王雅林 罗天编译报道

  编辑 李彬彬