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谷歌《Nature》发论文称实现量子霸权 18亿倍速碾压世界最强超算

谷歌坚称自己已经取得了量子霸权——这标志着计算研究领域的一个重要里程碑。谷歌首次发布声明是在今年9月,虽然遭到竞争对手的质疑,但就在刚刚(10月23日),谷歌的研究论文被正式发表在《自然》科学期刊上。

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Sycamore处理器

量子霸权是一件大事,因为它让量子计算机具备了解决当前科技甚至无法开始尝试的问题的能力。谷歌的论文解释了它的53位量子计算机Sycamore(梧桐)是如何只花了200秒的时间就完成了一个当前世界上最快的超级计算机需要10000年时间才能完成的计算(速度快出约18亿倍)。

理论上,这种能力为未来科技打开了许多大门,比如设计更好的电池和药品,或者最小化农用化学品的排放。它也有助于推进现有的技术,如机器学习。不过,现阶段的Sycamore几乎没有实际用途——它的设计和制造只是为了表明量子计算机是可行的。

尽管可能还需要几年的时间,但这是朝着一项可能对我们的生活产生重大影响的技术迈出的第一步。在接受麻省理工学院技术评论(MIT Technology Review)采访时,谷歌CEO劈柴( Sundar Pichai )将这一实验比作莱特兄弟的首次飞行。”第一架飞机只飞行了12秒,因此没有实际应用,”他说,“但它显示了飞机可以飞行的可能性。”

论文摘要:

量子计算机承诺通过量子处理器去执行某种计算任务会比传统计算机快出指数倍。一个根本性的挑战是建立一个能够在指数级大的计算空间中运行量子算法的高保真处理器。我们在论文中报告了使用可编程超导量子比特处理器在53个量子比特上创建量子态,相当于2?3(即101?)维的计算状态空间。在重复实验中的测量对我们使用经典模拟验证而得到的概率分布进行了采样。我们的Sycamore处理器需要大约200秒来采样同一个量子线路一百万次,我们的基准目前表明相同的任务用最先进的经典超级计算机大约需要10000年。与所有已知的经典算法相比,这种速度上的巨大提升,是在实验层面上实现了在特定任务上的量子霸权。

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处理器的布局,显示一个由54个量子位(灰色)组成的矩形阵列,每个量子位通过耦合器(蓝色)连接

20世纪80年代初,理查德?费恩曼(Richard Feynman)提出量子计算机是解决物理和化学问题的有效工具,因为用经典计算机模拟大型量子系统的成本是指数级的。实现费恩曼的设想提出了重大的实验和理论挑战。首先,量子系统是否可以被设计成在足够大的计算( Hilbert )空间中进行计算,并且具有足够低的错误率以提供量子加速?第二,我们能提出一个经典计算机很难但量子计算机很容易解决的问题吗?通过在我们的超导量子比特处理器上计算这样一个基准任务,我们解决了这两个问题。我们的实验实现了量子霸权,这是走向全面量子计算的一个里程碑。

在达到这个里程碑的过程中,我们证明了量子加速在现实系统中是可以实现的,并且不被任何隐藏的物理定律所排除。量子霸权也预示着noisy intermediate-scale quantum( NISQ ,嘈杂中型量子)技术的时代。我们演示的基准任务在生成可证明的随机数(S.Aaronson,手稿正在准备中)方面有直接的应用;这种新计算能力的其他初步用途可能包括优化机器学习、材料科学和化学。然而,要实现量子计算的全部承诺(例如,使用Shor算法进行整数分解)仍然需要技术上的飞跃来设计容错逻辑量子位。

为了实现量子霸权,我们取得了一些技术进步,这也为纠错铺平了道路。我们开发了快速、高保真的门,可以在二维量子比特阵列上同时执行。我们使用一个强大的新工具:交叉熵基准测试,在组件和系统级别对处理器进行了校准和基准测试。最后,我们使用元件级的置信度来精确地预测整个系统的性能,进一步显示量子信息在扩展到大系统时的行为与预期一致。

完整论文可查看:

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5?utm_source=commission_junction&utm_medium=affiliate

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