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一场被忽略的中美量子霸权激战

08-04


7 月份,IBM 给德国和日本各供应了一台量子计算机,这也是 IBM 在美国之外安装的仅有两台。

而促使德、日迫不及待入局量子计算领域的一大原因,正是中美之间的量子霸权激战。

很多人应该还记得,2019 年 9 月 20 日,谷歌称他们研发的 53 个量子比特的量子处理器 Sycamore,率先达成了量子霸权。

2020 年底,潘建伟、陆朝阳领导的中国量子计算技术团队,研制出了 76 个量子比特的光子量子计算机“九章”,也达成了量子霸权。

一场被忽略的中美量子霸权激战

量子计算机“九章”

这里我们先搞清楚一个问题:什么是量子霸权?

这是科学家们在 2011 年提出的一个指标,“霸权”的意思是实现对经典计算机的碾压。也就是说,针对任意一个计算问题,量子计算机只要能够超越当前所有经典计算机的计算能力,就可以认为是实现了量子霸权。

比如 2019 年谷歌宣布达成的量子霸权,就是因为他们研发的量子计算机,只用了 200 秒,就成功完成了一个计算问题,但如果让当时最厉害的超级计算机来算,需要超过 1 万年的时间。

一场被忽略的中美量子霸权激战


虽然不久后,IBM 有研究人员声称,谷歌量子计算机挑战的问题,一台经典计算机耗时 2.5 天就能完成,并不是 1 万年,但这对结果并没什么影响。

再看中国的量子计算机“九章”,团队在论文中称,“九章”在 200 秒内完成了一项复杂计算,换给当时世界上最快的超级计算机“富岳”来做,至少需要 6 亿年。

从这两个例子,能明显感受到量子计算机对经典计算机的碾压,这就是量子霸权。

不过,关于“九章”达成的量子霸权,当时在全球引起了一场小争议。

原因是,科学家们认为,谷歌量子计算机 Sycamore 的表现具有更强的通用性,而“九章”的表现带有明显的专业性,面对其他任务时,可能不会有很好的表现。

关于“九章”的争议,大家虽然讨论了一段时间,但也没讨论出什么所以然来。

但是,就在今年 6 月底,来自中国科技大学团队的一篇论文,很快就在全球量子计算科研圈里燃了,实力演绎了什么叫做“用你的擅长打败你”,国外媒体争相报道,但国内也许当时瓜太多,没受到应有的关注。

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怎么回事呢?

由潘建伟与朱晓波教授带领的中国技术团队,在中国第二台量子计算机“祖冲之”上,同样处理了 2019 年谷歌量子计算机 Sycamore 解决的那个问题,耗时 1.2 小时,如果换当时最先进的超级计算机来解,需要 8 年。

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看到这里,你可能会疑惑,既然解决的是同一个问题,谷歌量子计算机 Sycamore 耗时 200 秒,中国量子计算机“祖冲之”却用了 1.2 个小时,这不是证明了谷歌量子计算机更厉害吗?

非也。

虽然谷歌用时更短,但是,对于高端神秘的量子计算来说,计算速度快并不是最厉害的,控制量子比特才是:量子比特数越多,控制就越难。

谷歌的量子计算机 Sycamore 是 53 个量子比特,“祖冲之”则是 56 个量子比特,别看只有 3 个量子比特只差,难度却提升了数倍之多。

下面我们就来看看,控制量子比特究竟有多难?

首先要明确一点,什么是量子比特?

比特这个词,大家应该都不陌生,它是信息的最小单位,只有 0 和 1 两种逻辑状态,所以才有句话说“计算机只认识 0 和 1”。

不管是现在已经普及的经典计算机,还是量子计算机,他们的本质都一样,就是操控比特。经典计算机中的 0 和 1,叫做经典比特,而量子计算机中的 0 和 1,就叫做量子比特。

但有趣的来了,经典比特和量子比特,有着非常巨大的差异。

非要一句话总结原因,那就是:量子比特受到量子力学规律操控,具有非常神奇的特性。

是不是一看到量子力学就想笑,还顺便想起那句:遇事不决,量子力学?别笑,量子力学是真的,它也确实拥有你看不透的力量,跟话术忽悠人骗钱不是一回事儿。

下面我们就来看看,为什么说控制量子比特,是个巨大的挑战。

经典比特只有 0 和 1 两种状态,而且要么是 0,要么是 1,就跟一枚硬币一样,你不可能同时抛出正反两面。

但量子比特就不一样了,它是一只“薛定谔的猫”。

提到“薛定谔的猫”,想必各位都不陌生。这是一个思想实验,说的是把一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里,如果镭发生衰变,就会触发机关打碎装有氰化物的瓶子,猫就会死;如果镭不发生衰变,猫就能存活。

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由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加,所以猫就处于既生又死的状态,量子力学把这种状态叫做“量子叠加态”。

量子比特就具有“量子叠加态”。

也就是说,一个量子比特可以既表示 0 又表示 1,甚至还能调节 0 和 1 的占比,比如 10% 的 0 和 90 % 的 1,或者 80% 的 0 和 20 % 的 1。

控制这样一个变幻莫测的家伙,比猜全世界最多变女朋友的情绪还难。

量子计算说白了,就是通过操控量子比特的叠加态来进行计算。

正因为量子比特的叠加态超能力,才使得它在信息存储和信息处理两个方面的能力,远超经典比特,具有无穷潜力,成为各国争相发展的新赛道。

我们先来看信息存储方面。

计算机一路发展,其实都在干一件事:提高计算能力。信息容量就是一个非常关键的影响因素。

信息容量越大,计算能力就会越强,而增加信息容量最简单的办法,就是增加比特数量。

怎么才能增加比特数量呢?很简单,一种方法是用物理资源换计算能力,也就是:缩小元器件体积,在更小的芯片中实现更多的比特数。

这就是为什么你此刻手里的手机,会比阿波罗登月用的计算机强大数千万倍。

但随着元器件的体积达到物理极限,另外一种增加比特数量的方法出现了:优化二进制编码。

这就像用手指数数,原本一根手指代表 1,一双手最大只能表示到 10,但如果优化一下,左手大拇指表示 1,左手食指表示 2,左手中指表示 4,左手无名指表示 8 ...

经过优化,一双手能表示的容量就从 10,立刻提升到了 1023。

所以你看,经典计算机只能通过缩小元器件、优化二进制编码这两种方式,增加比特数量。但量子计算机不一样。

我们都知道,一个经典比特,要么表示 0,要么表示 1,但一个量子比特既能表示 0,又能表示 1,两种状态可以叠加,也就是说,一个量子比特可以当做两个经典比特来用。

这意味着,量子比特独有的叠加态特性,是经典计算机永远无法匹敌的全新编码方式。

科学家早就计算出了宇宙原子的数量,是 2 的 300 次方,用量子计算机来表示的话,300 个量子比特就能数清宇宙所有的原子,这是经典计算机不敢相信的事情。

量子比特除了在信息存储方面有过人的能力外,它在信息处理方面的表现也非常惊人。

太复杂的我们跳过,就举一个例子让你感受一下。

量子还有一个特性,叫做量子纠缠,你可以理解为是“同生共死”的意思。

有句话说“不求同日生,但求同日死”,这表现的是结拜双方当时的感情浓度,但我们都清楚,在麻瓜的世界里,这种事情不可能发生。

有趣的来了,在量子的世界里,这是一种真实存在的状态。

倘若两个量子结拜,也就是建立起了量子纠缠,这意味着“不求同日生,但求同日死”就成了板上钉钉的事情。

结拜前,两个原子可以有 4 种状态,分别是“生生”、“生死”、“死生”、“死死”,但结拜后,4 种状态马上就剩下 2 种:“生生”,“死死”。

哪怕远隔千万里,只要建立起量子纠缠,一个挂了,量子力学就一定会保证另一个也同时挂掉。

你可能要问,这有什么用呢?非常有用。它可以让量子比特既节约信息处理资源,又毫不费力的保持数据一致。

比如说,现在有 10 个数,你需要给每个数都 +1。

在经典计算机里,需要分别找到存储这 10 个数的比特,再对每一个实施 +1 的操作,操作 10 次,任务完成。

但在量子计算机里,只需要把存储这 10 个数的比特制备成纠缠态,再对其中任意 1 个比特操作 +1,其他 9 个就会自动执行 +1 的操作。

你看,信息处理的速度一下子就上去了。

不过,也正是因为量子比特在信息存储和信息处理上的独特,使得读取计算结果成了一个巨大的挑战。

因为读取量子比特时,一定会引起坍缩,继而造成信息丢失。

什么是坍缩?我们还来看“薛定谔的猫”。

猫咪被关在一个密闭容器里,处于既生又死的量子叠加态,只要容器不被打开,那猫咪就处于被量子力学规律控制的神奇世界里。可是,一旦盒子打开,神奇世界和我们的世界就联通了,猫咪无法继续保持既生又死的状态,所以叠加态就必须进入一种确定状态:猫要么活着,要么已经嗝屁。

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这就是坍缩。

那么,信息丢失又该怎么理解呢?我们换个例子。

假设有个学生叫张三,他马上要参加一场考试,于是提前制作了一份复习计划,这份计划被他妈妈看到了,他妈妈想知道这份复习计划的效果到底如何,就把计划输入到量子计算机里,让计算机帮忙算算。

量子计算机一通运算,得出结果:成功的几率是 80%,失败的几率是 20%。

但此时,这个结果还存在在量子计算机里面,他妈妈如果不进行读取,就不可能知道结果到底是什么。

有没有一种方法能够直接读取出计算结果呢?没有。

此刻,计算结果所处的位置,就可以看做是薛定谔猫咪所处的那个神奇世界。当张三妈妈读取结果时,意味着神奇世界和现实世界联通了,此刻就会发生坍缩,计算结果就变成了一种确定:不是成功,就是失败,完全看不到胜败所占的比例。

这就是坍缩造成的信息丢失。

那么,读取结果的正确姿势到底是什么呢?利用统计概率反推。

比如张三妈妈第一次读取到的结果是“成功”,但她需要把相同的参数再次输入量子计算机,第二次读取到的结果可能就变成了“失败”,将这个计算过程重复 1000 次,统计出这 1000 个结果,其中 80 个是成功,20 个是失败。

那么,量子计算机的结果就被读取出来了:按照张三制定的复习计划进行复习,成功通过考试的几率是 80%,失败的几率是 20%。

这下张三妈妈就放心了,只要严格按照计划走,儿子通过考试的概率很高。

你瞧,量子计算机要控制透着满满“玄学”属性的量子比特完成各种运算,量子比特数量每多一个,控制难度就翻倍增长,这就是为什么前面说,同一个问题,谷歌量子计算机 Sycamore 耗时 200 秒,中国量子计算机“祖冲之”耗时 1.2 个小时,但学术界依然认为“祖冲之”更厉害的原因。

针对“祖冲之”的表现,《新科学家》杂志做出了这样的评价:“中国的量子计算机团队,已经解决了一个至少比当时 (谷歌) 难度高 100 倍的问题。”

不过,我们必须清楚一点,量子计算机目前都还只停留在实验室研究阶段,离实际应用还差着十万八千里,这是一场必须用漫长时间来完成的长征。

我们能做的,只有关注、和等待。

参考资料:

1、
https://www.scientificamerican.com/article/china-is-pulling-ahead-in-global-quantum-race-new-studies-suggest/

2、
https://baike.baidu.com/item/九章/55232174?fr=aladdin

3、
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5

4、清华大学副研究员李铁夫:前沿科技·量子计算


文 | 木子Yanni

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