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内部网站-谷歌宣称“量子霸权”,纯属忽悠大众

[文章/观察员网络的作者温梦元]

上个月,美国国家航空航天局有意泄漏了Google的量子霸权论文,因为它违反了Google公共关系部门的计划,因此迅速将其删除。此后,Google一直遵循典型的商业炒作计划,一直密切关注该计划,直到2019年10月23日该论文在《Nature》正式发表时,各种各样的公共关系吹牛,不堪重负。

有趣的是,与此同时,IBM在官方博客上公开唱歌,发表了他自己的论文,声称Google尚未达到量子霸权。那么谁是对的,谁是对的?

首先,让我们回顾一下“量子霸权”;这意味着在实际程序中,量子计算器比现有的经典计算机效率更高。请注意,大多数人倾向于忘记此定义中需要实际应用的部分,因此我最初怀疑Google团队正在研究此漏洞,因此我写了一篇文章来推测这个奥秘(请参阅上面的《Google的量子霸权是怎么回事?》)。现在,有了更详细的信息,我可以更准确地解释Google的论文,并希望科学和工程学的读者能够理解它。

以下是Google用于Sycamore的量子处理器的示意图(indus;名称纯属巧合,请勿混淆关联);灰色的叉子是单个的量子位,蓝色的长方体是耦合器。共有88个,负责将两个相邻的位转换为纠缠态。 应该有54个量子位,但是其中一个无法修复(白叉),因此整个实验只能使用53位。有效耦合器因此减少了两个,剩下86个。

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Google的程序是随机选择86个耦合器和53位,选中的将被打开并起作用,称为门。单量子位门的作用是产生对应于随机经典结果的量子态。二位比特门功能是纠缠相邻的位。这些效果结合在一起形成一个循环。预先随机确定总共20个以上的周期中的所有周期,它们共同构成一个回路。 Google在实验中使用的最复杂的生产线包括1,113个单位浇口和430个双位置浇口。

以下是以下循环的重复:首先清除所有位;然后清除所有位。然后让预先选择的固定线工作以创建新的量子态;然后所有位折叠以形成经典的0或1读数。因此,结果是一个看似随机的53位序列,但是内部内容纠缠在一起,因此这些位并不是真正的统计独立的,而是具有由量子纠缠确定的复杂相关性(Correlation)。

经过一次小型试用,Google团队最终使用了这53个量子比特来运行该程序3000万次,耗时200秒。 Google估计,最新的经典超级计算机将花费10,000年的时间,因此它们可以吹嘘“量子霸权”。

IBM对倒水的研究基于更高效的经典超级计算机设置。结果仅用了两天半的时间,比Google团队的估计速度快了八个数量级,因此没有任何意义。

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IBM为美国能源部开发了“ Verte天辰”超级计算机

但是,该经典程序的运行时间可以从数学上证明为2 ^ n。 n是量子位数,在Google实验中为53。因此,即使在n=53的条件下,经典计算机仍然可以战斗,而当n=90时,它将重现量子霸权。这大概是三到四年的开发时间。

IBM的算法仍由蛮力支配。如果将来您发明一个更微妙的算法,则可能会将经典程序增加几个数量级,但这通常会将阈值提高到n=200。换句话说,这最多是Google的量子霸权被拖延了十年左右。

那么我们的结论是,量子霸权将不可避免地在2030年之前发生?不,Google论文的真正问题不在于这些细节,而在于总体设计,这是我在本文开头提到的程序的实用价值。

为了比较两种不同工程方案的优缺点,一个非常重要的隐含前提是要达到相同的实际目标。 Google的公共关系文件将这种“成就”与100多年前的莱特兄弟的首飞进行了比较。它是故意混合的:莱特兄弟(Wright Brothers)的飞机是建立在长期认可的A成品上的,该成品的设计和制造具有很有价值的目标(例如,动力飞行); Google的Sycamore实施了一个根本没有用的程序。

真正相似的是,制造一台复杂而不实用的机器,然后说它在产生独特噪声方面具有无与伦比的效率。换句话说,他们首先射击箭头,然后绘制目标。梧桐四处走动,然后调用经典计算机进行仿真。如果这也是量子霸权,那么找到一个包含53个原子的系统,并要求经典计算机进行模拟。演化将需要200秒,并且将花费10,000多年。

实际上,Google的结果比没有实际价值还差。为了理解这一点,让我们回顾一下量子计算世界的现状。当前的世界纪录约为100量子位(DWave的量子计算器是假的);但是这些位非常不稳定,并且很容易与周围的巨型环境交互并失去量子状态,这在我之前已经详细讨论过。量子退相干。要知道计算出的输出是程序逻辑的结果,而不是量子噪声的结果,必须有一种校正机制。

当前已知的量子纠错机制必须使用80-10000个原始qubit才能生成稳定可靠的比特(称为逻辑比特)。世界纪录甚至都不是合乎逻辑的立场。

Google的“突破性技术”,第一件聪明的事是它使用内生的随机量子态代替了预先指定的(外生,外生)字符串。行。尽管Google团队可以尝试影响这些原始qubit之间的纠缠,但它实际上是成功的,无法以绝对精度进行验证。换句话说,他们只是没有解决校正错误的基本困难,而只是估计Sycamore量子态的半衰期约为10微秒,因为每一轮编程所用的时间都少于7微秒(=200秒/3000万轮) )。 ),大多数时候量子退相干还没有发生。然后,通过仅考虑统计结果,可以覆盖少量噪声。

这里最基本的问题是Google的量子计算器不能保证结果正确。实际上,我们知道它不是绝对正确的,最多只能是近似的。相反,经典计算机给出的结果绝对准确且可靠。目前,很难比较两者所花费的时间,这显然是不公平的。

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读者指出,这张图片来自孙长喜院士等作者。

实际上,具有实用价值的量子计算至少必须达到上图。 当前,量子计算被吹捧,各国政府高度重视的真正原因是能够破解通信方面的公共代码,那么它必须到达上图中的红色领域。尽管Google的量子计算器是先进的,但距离实际目标至少有9个数量级;现在,这是公众的胜利。

本文是《观察家网络》的独家手稿,未经授权不得复制。



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