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谷歌宣稱實現「量子霸權」

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谷歌宣稱實現「量子霸權」

9 月20 日,據《金融時報》報導,谷歌研究人員在美國國家航空航天局官網上發表了一篇文章,其內容顯示,谷歌的量子計算機完成某項計算的時間為3 分20 秒,而世界第一的超級計算機Summit 完成同樣運算要花費1 萬年的時間。谷歌研究人員表示,這意味著量子計算機實現了「量子霸權」,即能夠完成以前不可能實現的計算。

文章作者寫道,「與所有已知的經典演算法相比,這種驚人的計算速度從實驗角度證實了量子計算的優勢,並預示著人們期待已久的計算範例的出現。」谷歌研究人員還表示,「該系統只能進行一次單一的、技術性很強的計算,要使用量子計算機解決實際問題還需要數年時間」。

關於該實驗的記錄,最初發表在 NASA 網站上的一篇論文中,但不久之後,論文就被撤下,截止目前,谷歌還未回應媒體的置評請求。

什麼是「量子霸權」?

經典的電子計算機,是基於數字電路的「通電」和「斷電」兩種狀態來實現運算的。對電路來說,這是兩種確切的狀態,不是「0」就是「1」,這也就是我們常說的「比特」。

而量子計算機的概念也不是什麼新名詞,早在第一台電子計算機埃尼阿克誕生 20 多年之後的 1969 年,科學家就提出了量子計算的可能。量子計算機的不同之處在於,它由微觀的量子來構成比特。由於量子存在疊加現象,所以一個量子比特可以同時處於 0 和 1 兩種狀態。這使量子計算機可以並行處理大量數據,在傳統計算機上,這些數據是要按順序依次處理的。

多年以來,科學家一直在試圖證明量子計算機在算力上能夠絕對碾壓傳統計算機,這就是「量子霸權」(Quantum Supremacy)。

量子霸權,也叫量子優勢,即在未來的某個時刻,功能強大的量子計算機可以完成經典計算機幾乎不可能完成的任務。

比如在一天之內破解原本幾萬年才能破解的密碼、實現通用人工智慧、快速模擬分子模型。

提出這一假想的原因是,量子計算機的發展似乎遵循著「內文定律」,而經典計算機遵循著「摩爾定律」。

 

「霸權」引發的擔憂

美國 2020 年總統候選人楊安澤在 Twitter 上表示,谷歌實現「量子霸權」意味著不再有牢不可破的(加密)密碼了。的確,想要暴力破解經過加密的密碼需要耗費大量的算力,而量子計算機呈指數增長的恐怖算力,恰好會對密碼學構成威脅。

現有數字貨幣運行的基礎就是密碼學,基於非對稱加密的公私鑰。這套體系之所以安​​全,其根本原因就在於用現在的超級計算機進行運算,根據公鑰要反推出其對應的私鑰需要的時間大概比宇宙的壽命(138 億年)還要長,因此是不可能完成的任務。

如果谷歌公佈的消息是真實存在的話,這台量子計算機的計算速度是傳統計算機的 17.52 億倍,那麼就不再需要 138 億年而只需要 8 年的時間,就可以破解私鑰。

另外,量子計算機的反覆運算速度是指數級的,比傳統計算機更新的速度快得多,因此在秒級時間內破解將指日可待。

 

目前不需要擔心

谷歌的量子計算機在執行特定任務時可以展現出相比傳統計算機的「霸權」,這並不意味著它能夠被用來破解密鑰。一名量子力學教授 Scott Aaronson 在接受采訪時表示,當下主流的 RSA 加密方式只能被「幾千個量子位」的量子計算機暴力破解,而目前還沒有超過 100 個量子位的量子計算機。

理論上,量子計算機的龐大算力可以在電池設計、藥物開發、地外探索、機器學習等領域大施拳腳。 NASA 之所以和谷歌等公司合作開發量子計算機,就是希望能夠使用量子計算機輔助調度航太任務,探測太陽系外行星。作為一家「AI 優先」的公司,谷歌希望通過量子計算機執行機器學習任務,拓展 AI 的性能。

所以,目前我們還不需要為此感到擔憂,但是也要提防別有用心的人,所以,就像楊安澤在 Twitter 上表示的一樣,我們的密碼學也應該升級了。

 

為何由 NASA 發布

之所以Google 的論文是在NASA 官網上發布的,是因為Google 去年就已經和NASA 展開合作,並且立下了flag:要在今年實現所謂量子霸權,即讓量子計算機的運算能力遠遠超過經典計算機。

2018 年 7 月,Google 宣佈與 NASA 建立合作夥伴關係,計劃將量子計算機上運行的結果,與經典模擬進行比較,實現所謂的「量子霸權」,而且當時的 Google 預測在今年就可以實現。

雙方合作使用的量子晶片名字叫做 Bristlecone,總共包含 72 個量子比特。由於 Bristlecone 需要將超導電路維持在絕對零度附近,因此無法將其從 Google 的實驗室搬走。 NASA 研究人員只能通過 Google 的雲 API 遠程連接 Bristlecone。

雙方將共同研究如何將「各種各樣的優化和採樣問題」映射到 Bristlecone 量子計算系統上。

 

量子計算很好但別急著吹

IBM 研究主管Dario Gil 建議不要使用量子霸權作為衡量該領域進展的指標,他向《財富》雜誌解釋:“幾乎所有的人都會誤解這個實驗和’霸權’一詞。”他還補充,量子計算機不會取代傳統計算,二者是協作模式。

英特爾實驗室量子硬體總監吉姆·克拉克(Jim Clarke)則表示Google 的實驗是一個里程碑,但量子計算機要在商業上落地,還需繼續研發:“雖然這項馬拉松仍遙遙領先,但我們堅信這項技術的潛力。”

雖然量子計算機有驚人的算力,但是,我們沒有太好的方法讓他工作,另外,當我們想要讀取它計算的結果時,也需要很大的計算量。別說解決普通計算機不能解決的問題,就是用來解決普通計算機能解決的問題,很多場景下都無能為力,因此,量子計算機雖然強大,卻沒有建立起量子優勢。

Google這次屬於硬體層面突破,但對於硬體,我們還有很多的計算理論需要研究,需要引入形形色色的演算法,建立完整的體系解決我們這個世界的問題。所以,這一次,雖然Google做出了重大突破,但是離「量子霸權」仍然遙遠。

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