谷歌量子计算登上Nature封面,首次实现量子优越性,里程碑式突破

谷歌量子计算登上Nature封面,首次实现量子优越性,里程碑式突破
机器之心报导机器之心编辑部这是量子核算范畴的里程碑事情:谷歌在被称为「量子优越性」方向上的重大突破研讨,登上了《天然》杂志 150 周年版的封面。它或许标志着量子核算正在走向实用化:谷歌现已运用一台 54 量子比特的量子核算机完结了传统架构核算机无法完结的使命。在国际第一超算需求核算 1 万年的试验中,量子核算机只用了 3 分 20 秒。本年 9 月,一篇名为《Quantum supremacy using a programmable superconducting processor》的论文自 NASA 网站上传出,其间研讨人员提出了这一主张,虽然论文很快就被删去,但这一音讯引起了人们的广泛重视。「量子优越性」(Quantum supremacy)的完结令人激动(谷歌官方主张此翻译,而非量子霸权),不过也引发了人们关于研讨真实性的质疑。所幸同行评定并没有让咱们等候好久,在刚刚出书的《天然》杂志 150 周年特刊封面上,咱们看到了这篇论文。论文的宣布也意味着谷歌的研讨得到了业内人士的认可。谷歌 CEO 桑达尔·皮查伊第一时刻发文标明祝贺:「跟着咱们扩展了核算的或许性,咱们也解锁了全新的核算……量子核算简单犯错,但咱们的试验标明:量子核算机也可以在核算中削减过错,并扩展到达逾越经典核算机的程度。」「关于科学技能范畴的研讨者来说,这是人们期待已久的一句『Hello World』——迄今为止,量子核算实用化最有含义的一个里程碑,」皮查伊标明。「咱们可以把它比作为人类打造出了第一个脱离地球引力捆绑,触碰太空边际的火箭。」浏览器版别过低,暂不支撑视频播映这一效果,源自科学家们不懈的尽力。谷歌在量子核算方向上的研讨现已过去了 13 年。2006 年,谷歌科学家 Hartmut Neven 开端探究有关量子核算加快机器学习的办法。这项作业推动了 Google AI Quantum 团队的建立。2014 年,John Martinis 和他在加利福尼亚大学圣巴巴拉分校(UCSB)的团队加入了谷歌的作业,开端构建量子核算机。两年后,Sergio Boixo 等人的论文宣布,谷歌开端将作业重点放在完结量子核算优越性使命上。现在,该团队现已构建起国际上第一个逾越传统架构超级核算机才干的量子系统,可以进行特定使命的核算。谷歌 CEO 桑达尔·皮查伊和圣芭芭拉试验室中谷歌的量子核算机。谷歌也在昨日发布的博客中介绍了这项重要研讨:近 30 年来,物理学家们一向在评论量子核算的威力,但一向有人在问:量子核算有用吗?值得出资吗?关于如此大规划的工程,拟定决定性的短期方针是杰出的工程实践,可以弄清楚规划方向是否正确。因而,谷歌规划了一个试验,作为答复这些问题的一个重要里程碑。这个试验被称为「量子优越性」(quantum supermacy)试验,指引谷歌的团队克服了量子系统许多固有的技能难题,使得量子核算机可编程而且功用强大。为了测验整个系统的功用体现,谷歌的研讨者挑选了一个灵敏的核算基准,即便是核算机的单个组成部分不够好,整个系统也无法在该基准上获得成功。近来,谷歌在《Nature》期刊上宣布了这个试验的效果。他们开发了一个 54 量子比特的核算机——「Sycamore」,其间包含快速、高保真度的量子逻辑门,以履行基准测验。Sycamore 在 200 秒内完结了方针核算。依据试验得出的丈量效果,谷歌判定,国际上最快的超级核算机需求 1 万年才干输出相似的效果。左:Sycamore 量子核算机悬在低温恒温器中的艺术加工图;右:Sycamore 的相片。试验要了解这个基准的作业原理,可以幻想成几个热衷于量子核算的新手去拜访谷歌的试验室,想在试验室的新量子核算机上运转一个量子算法。他们可以依据根本门操作词典来写算法。由于每个门都有差错率,这些新手就想把自己约束在一个适度的序列,总共有大约 1000 个门。假定这些编程者没有任何阅历,他们就会创立一个看起来似乎是随机的门序列,你可以把它幻想成量子核算机的「hello world」程序。由于随机电路中没有经典算法可以运用的结构,模仿这些量子电路一般需求花费许多的经典核算机算力。随机量子电路在量子核算机上的每次运转都会发生一个比特串,如 0000101。由于量子搅扰的存在,当屡次重复试验时,某些比特串比其他一些更简单呈现。但是,跟着量子比特数量(宽度)和门循环数量(深度)的添加,在经典核算机上为随机量子电路找到最或许的比特串的难度会以指数的方式添加。展现谷歌量子优越性的流程图。在试验中,谷歌首要运转了 12 到 53 个量子比特的随机简化电路,以坚持电路深度稳定。然后,他们运用经典模仿来查验量子核算机的功用,并与理论模型进行比照。在证明系统可以正常作业后,谷歌运转了电路深度不断添加的 53 量子比特的随机硬件电路,直到到达经典模仿不可行的点。依据薛定谔-费曼(Schrdinger-Feynman)算法的量子比特数和周期数来评价量子优越性电路的验证时刻。赤色星星标明试验电路的估量验证时刻。此效果是对扩展后的邱奇-图灵论题(the Church-Turing thesis)的第一个试验性应战。该论题指出,经典核算机可以有用地完结任何「合理的」核算模型。谷歌标明,「现在有了第一个无法在经典核算机上进行合理模仿的量子核算,咱们拓荒了一个新的核算范畴。」谷歌 Sycamore 量子处理器量子优越性试验是在一个名为 Sycamore 的 54 量子比特的彻底可编程处理器上运转的。该处理器包含一个二维网格,网格中的每个量子比特与其他四个相连。所以,芯片具有满足的连通性,量子比特状况可以在整个处理器中快速地进行交互,使得完好状况无法运用经典核算机进行有用地模仿。谷歌 Sycamore 量子处理器。量子优越性试验的成功归功于谷歌改进了具有增强并行性的双量子比特门,即便一起操作多个门,也能可靠地完结记载功用。谷歌运用一种新式的操控旋钮来完结这一功用,该旋钮可以封闭相邻量子比特之间的交互。此举大大削减了这种多连通量子比特系统中的差错。此外,经过优化芯片规划来下降串扰,以及开发防止量子比特缺点的新操控校准,谷歌进一步提升了功用。谷歌在二维正方形网格中规划了电路,其间每个量子比特与其他四个相连。该架构还能向前兼容,然后完结量子差错的批改。54 量子比特的 Sycamore 处理器则是谷歌一系列功用更强许多子处理器的前驱。热门图展现了全部量子比特运算模仿单比特和双比特的 Pauli error 值。摆放图标明量子比特在处理器上的散布。测验量子物理为了保证量子核算机在未来的实用性,谷歌还需求验证没有来自量子力学的根底妨碍。经过试验查验理论极限,是物理学的悠长前史,由于人们以十分不同的物理参数为特征探究新状况时,常常会发现新的现象。谷歌从前的试验标明,量子力学可扩展的状况空间预期可到达 1000 倍。而在这项研讨中,谷歌将该测验巨细扩展到 10 万亿,发现全部仍然按预期可行。谷歌还经过丈量两个量子位门的差错来验证根底的量子理论,发现它可以精确猜测整个量子优越性电路的基准测验效果。这标明没有预期外物理现象,可以下降谷歌量子核算机的功用。因而,谷歌标明他们的试验证明,依据理论更杂乱的量子核算机也是可行的,谷歌对持续扩展规划也充满信心。使用Sycamore 是彻底可编程的,可以运转通用量子算法的量子核算机。自从上一年春季获得量子优越性效果以来,谷歌团队一向在致力于短期可做到的使用,包含量子物理学模仿和量子化学,以及生成机器学习其其他范畴的新使用等。下一步方案该团队接下来的两个首要方针都是期望找到量子核算的有价值使用。首要在未来,谷歌将向其合作者、学术研讨人员以及对开发算法和查找当时 NISQ 处理器使用感兴趣的公司供给自己具有优越性的处理器。具有创造力的研讨人员是最为重要的立异资源,所以已然现已具有新的核算资源,谷歌则期望更多的研讨人员可以进入该范畴,并测验进行一些有用的创造。其次,谷歌对其团队和技能进行出资,然后可以赶快创立容错的量子核算机。此类设备具有许多有价值的使用场景。例如,咱们可以想象量子核算机协助规划新材料——用于轿车和飞机的轻量级电池、可以更有用地出产化肥的新催化剂(当时这一进程发生了全球 2% 以上的碳排放量)以及更有用的药物。但需求指出的是,完结必要的核算才干仍然需求多年艰苦的工程和科研作业。但现在行进的路途十分清晰,谷歌巴望在量子范畴获得更多发展。构建量子核算机是人类了解国际的重要方向——虽然世界从根本上来说是构建于量子系统之上的,但长久以来人们关于量子理论知之甚少。实际上,量子力学的许多原理与人类关于天然界表面现象的调查彻底对立。当然,量子力学的性质也有着巨大的核算潜力。「虽然咱们对未来的光亮路途感到振奋,但也对目前为止阅历的旅程感到谦卑,」桑达尔·皮查伊标明。「咱们需求谨记诺贝尔奖获得者理查德·费曼的名言『假如你自认为了解量子力学,你就并不了解量子力学』。」参阅内容:https://ai.googleblog.com/2019/10/quantum-supremacy-using-programmable.htmlhttps://blog.google/perspectives/sundar-pichai/what-our-quantum-computing-milestone-means谷歌「量子优越性」Nature 封面论文:https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5量子产品量子核算机谷歌量子核算机量子核算原理拓扑量子核算量子核算算法

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