谷歌的量子霸权什么水平?相当于7岁的张怡宁打乒乓球赢了郎平
2019-10-25 09:17

谷歌的量子霸权什么水平?相当于7岁的张怡宁打乒乓球赢了郎平

本文来自微信公众号:果壳(公众号:Guokr42),作者:Ent,编辑:大琳砸、矩阵星,头图来自视觉中国


过去的两周里,前有量子速读班,后有量子养宫宝,相信每一个互联网弄潮儿都对“量子”这个词产生了强烈的免疫。但就在今天,谷歌在《自然》(Nature)在150周年纪念特刊发布论文表示,一台可编程量子计算机超越了最快的经典超级计算机,传统算法跑在IBM顶级计算机上要1万年才能算出的东西,量子计算机200秒就搞定了。这可以说是量子计算的重大里程碑事件,简直一洗量子污名,重振量子雄风。


《自然》封面故事:基于可编程超导处理器的量子霸权 | nature.com


所以量子计算机到底发展成什么样了?它们能平行完成所有运算吗?它们能用超强的计算能力破解我们的密码吗?它们能让比特币从此一文不值吗?相信看完这篇文章,你会对这项科研进展有一个清晰的认知。


极度简化的量子计算机原理解释


首先,量子计算机不是单纯的算得更快,也不是所有运算同时平行完成。它在原理上和传统计算机截然不同。


一般我们说的概率是这样的:明天40%阴天,30%下雨,30%多云。每个事件的概率都是0到1之间,所有加起来一定是1(也即100%)


量子事件就很奇怪了。假如天气变成了量子事件,那你会读到“明天降雨概率是-20%”这种预报。


在量子世界,你会读到这种奇怪的天气预报 | 东方ic


这是因为,描述量子态使用的核心数学工具叫几率幅,对它进行平方就得到了概率。但是,复数的平方可以是负的,而几率幅就是一个复数。


凭什么啊???


事实就是如此。你现在有两种选择:1 接受这种设定;2 去学更多数学然后接受这种设定。2当然更好,不过暂且假定你选择了1吧。


总之,概率可以是负的。然后更奇怪的事情发生了。在条件合适的时候(这条件要求很高),负概率可以把正概率抵消,让初看起来能发生的事情实际上无法发生。


如果你无法理解这句话在说什么,参见上上段。


但总之,量子计算利用了这个奇怪的特点。如果我们要解决一个问题,那么我们精心设计一下,把这问题“翻译”成一组量子态,问题的可能答案都和其事件对应起来,让所有错误的答案对应的事件都正负抵消,只留下正确的答案,那么最后看一下实际发生的事件,就知道答案是什么了。


这就是量子计算机。



量子计算机 | quantamagazine.org


那为啥现在还没用上呢?


你肯定发现了,量子计算机的思路和传统计算机截然不同。所以,它需要的算法,也和传统计算机截然不同,需要“精心设计”,而这个设计很难。现实中的大部分问题,我们都想不出来要怎么把它翻译成量子计算机能解决的形态。所以,眼下的量子计算机还不能带来什么影响。


并且,量子计算机还超级难造,因为量子态实在是太娇贵了。为什么现实中的天气不会有负的概率?为什么市面上的量子产品都是骗钱的?因为量子态干涉很难,东西越大就越难,让宏观物体发生干涉,难如登天。


比如这种产品,明显是不靠谱的 | eefit.com


所以长年以来,不但大部分问题量子计算算不了,哪怕能算,和经典计算机比也没有优势。


那要你有啥用啊?


于是有研究者提出了“量子(计算)霸权(Quantum Supremacy)”这个概念,说什么时候量子计算机解决某些问题的速度能把经典计算机的所有算法远远甩在后面,而且不是因为偶然,真是靠的量子,那才算证明了量子计算真的有价值。


量子霸权,指的是量子计算机可以解决经典计算机难以处理的问题 |  Domain of Science


他说之所以选择霸权这个词,是要强调“远远甩在后面”,而不只是略微的优势。但这也容易产生误解,毕竟日常说霸权都是覆盖很广的范围,只在一个问题上获得霸权好像有点奇怪。


量子霸权实现了......吗?


这个霸权定义现在被满足了。谷歌的一篇论文一个月前被意外泄漏,如今终于正式发在了《自然》(Nature)上。这篇论文宣布用量子计算机解决了一个难题,传统算法跑在IBM顶级计算机上要1万年才能算出的东西,他们200秒就搞定了。


IBM的人惊觉锅从天降,十分生气,反驳说你安给我们的算法没有优化,看我们优化一下。结果不用一万年,2天半就行。


世界上速度最快的IBM超级计算机Summit | Digital Trends


但2天半确实也比200秒要多几个数量级,所以霸权定义确实没什么毛病。


当然了,霸权其实只要求一个问题上量子计算机更快。而且这个问题其实对经典计算机不太公平,因为它是专门设计出来让经典计算机头疼的……你可以说这是在比赛项目上有偏袒,就像逼着排球冠军陪你打乒乓球。


但再怎么说,这个问题确实是一个定义良好货真价实的问题,确实遵循了规则。人家乒乓球真的打赢了,没话讲。



谷歌量子计算机Sycamore处理器 | nature.com


要挑毛病的话也能挑出来,比如现在这个量子计算机没有容错能力。如果要加入合理程度的容错,那它的运算能力就要差很多,或者需要造大很多的计算机(而我们还造不出来)


但反正这个问题本来也没有任何实际价值,纯粹为了欺负经典计算机而存在,没有容错也不会让它变得更加无用。


总之,虽然有这么多前提,谷歌的人确实用量子计算机解决了一个问题并把经典计算机远远甩在了后面。不管当不当得起霸权这词儿,这都是了不起的成就。


我们的密码都白设了?并不


但最后还是要强调,这个成就还没有任何实际用途,特别是,它不意味着我们的密码会完蛋。


为什么呢?不都说量子计算密码秒破?


两个原因。第一是关于目前这台量子计算机的:它太小了,也就不到100个量子比特。要破解现在常用的加密手段,起码要几千个;如果加上容错,几百万个都不意外,还早着呢。


第二个原因是关于量子计算本身的。实际上,量子计算本身并不是密码通杀。出于不幸的巧合,我们日常使用的大部分加密体系,正好特别容易被(未来的大型)量子计算机干掉。但是还剩下一些不怎么受影响的。并且大家还在开发新的专破量子计算的加密体系。等到量子计算牛逼的时候,我们肯定都换到更加安全的体系了。


也许是受此打击,比特币狂跌500刀。好消息是,现在的量子计算机距离比特币的计算还十万八千里。坏消息是,谁也不知道将来会发生什么……不过,和加密的道理一样,到时候人类应该肯定也已经开发出不怕量子的区块链技术了。


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