Google实现量子霸权,IBM不同意

即使IBM的经典方法优于Google所选择的方法,它仍然需要比Google所需的Sycamore芯片200秒更长的时间。

一个月前,在NASA网站上发现一篇论文详细介绍了Google在实现量子霸主地位方面的成功案例之后,量子世界变得一片混乱。该论文很快从现场消失了,但复制了下来,并达成了普遍共识,认为该工作很可能是真实的。今天,Google在《自然》 150周年纪念期的封面文章,John Martinis和Google顶级量子研究人员的Sergio Boixo的博客,Google首席执行官Sundar Pichai关于成就的重要性的文章以及电话会议上大肆证实了这项工作。来自伦敦的媒体简报。

这是弥补因意外泄漏的纸张而失去的“哇劲”的一种方法。Martinis和Boixo 在他们的博客中将这项工作标记为“针对扩展的Church-Turing论文的第一个实验性挑战 ,它指出经典计算机可以有效地实现任何’合理’的计算模型。” Martinis和Boixo宣称:“在经典计算机上无法合理模拟的量子计算,我们开辟了一个新的计算领域,可供探索。”

泄露的文件中知道了今天公开披露的大部分内容。谷歌使用了一种新型的54位量子处理器Sycamore,该处理器具有一个2D网格,其中每个量子位都连接到其他四个量子位,并具有更高保真度的两个量子位“门”。谷歌还表示,在Sycamore中的改进与许多软件都具有向前兼容性。需要的量子误差校正方案。Google使用Sycamore,在200秒内解决了一个问题(一种随机数生成器),在当今最快的超级计算机上,这大约需要10,000年的时间。在这种情况下,他们使用了DOE的Summit超级计算机进行估算。

“量子至上性实验的成功归功于我们改进的具有增强并行性的两比特比特门,即使同时操作多个门,也能可靠地实现记录性能。我们使用一种新型的控制旋钮实现了这一性能,该旋钮能够关闭相邻量子位之间的交互。这大大减少了这种多连接量子位系统中的错误。我们通过优化芯片设计以降低串扰,并开发出避免量子位缺陷的新控制校准,进一步提高了性能。” Martinis和Boixo写道。

以下是Google在其Nature论文摘要中描述该项目的方式:

“根本的挑战是构建一种能够在指数级大的计算空间中运行量子算法的高保真处理器。在这里,我们报告了使用具有可编程超导量子位的处理器在53个量子位上创建量子状态的情况,这对应于维度2 53的计算状态空间(约10 16)。重复实验的测量结果采样了概率分布,我们使用经典模拟对其进行了验证。我们的Sycamore处理器大约需要200秒来采样一百万个量子电路实例一百万次-我们的基准测试表明,最新型经典超级计算机的等效任务大约需要10,000年。与所有已知的经典算法相比,这种速度的显着提高是针对此特定计算任务的量子至上性的实验实现,预示着人们期待已久的计算范例。”

IBM说不是那么快。

竞争对手量子先驱IBM一直有争议的中谷歌要求 BL OG – “量子计算的最新进展已经产生了两个53量子位处理器:一个从我们的IBM组,并通过谷歌发表在自然杂志上的论文中描述的设备。在本文中,有人争辩说他们的设备达到了“量子至上性”,而“一台最先进的超级计算机将需要大约10,000年的时间来执行相同的任务。”我们认为,对同一任务进行理想的仿真可以在2.5天的经典系统中执行,且保真度更高。实际上,这是一个保守的,最坏的情况下的估计,我们期望通过进一步的改进,可以进一步降低模拟的传统成本。”

无论是酸葡萄,有效的主张,还是介于两者之间的事物,都会随着时间的流逝而变得更加清晰。即使IBM的经典方法优于Google所选择的方法,它仍然需要比Google所需的Sycamore芯片200秒更长的时间。(有关争议的出色内部人士观点,请参阅Scott Aaronson的博客《量子至上:手套已脱掉)》

Google的John Martinis
在回答有关“蓝色巨人”反对意见的质疑时,马丁尼斯坦率地指出,随着经典系统和量子系统(硬件和算法)的不断发展,追逐量子至上性中不可避免地存在“移动目标”元素,但他并未放弃对当前Google的主张。 。“我们希望在未来,量子计算机将大大超越这些[新古典计算]算法的发展。我们没有理由对此表示怀疑,因此我鼓励人们阅读该论文。”马蒂尼斯说。

自从创造“量子至上”一词以来,辩论一直在进行。批评者称它为花哨的花招,而不涉及实际应用或量子机器。提倡者认为,这不仅证明了量子计算的概念性情况,而且还将为实现量子至上性的技术而为有用的量子计算铺平道路。后者似乎确实是正确的,但有时早于部署而不是迟于部署实用的量子计算的愿望就使它不知所措。

许多人争辩说,在当今容易出错的所谓“嘈杂”量子计算机时代,获得“量子优势”(在量子计算机上执行更好的任务以保证可以从传统机器切换的概念)更为重要。

为了将量子误差校正(QEC)挑战视为现实,请参考最近一篇论文的摘录佐治亚理工学院的研究人员Swamit Tannu Moinuddin Qureshi在主题上发表了演讲:“由于量子比特非常善变且容易出错,因此近期量子计算机面临着巨大的可靠性挑战。此外,在有限数量的量子位的情况下,可能无法实现量子误差校正(QEC),因为QEC需要20至50个物理量子位设备来构建单个容错量子位。因此,仅当我们拥有具有数千个量子位的系统时,容错量子计算才有可能变得可行。同时,具有数十个量子比特的近期量子计算有望在嘈杂的环境中运行,而无需使用称为“嘈杂中间尺度量子(NISQ)计算”的计算模型进行任何纠错。”(BTW,Tannu和Qureshi的纸是一种很好的,容易获得的材料,

深入研究Google的工作很有趣。像大多数研发工作一样,会有意外的曲折。您可能还记得Google大约在一年前推出的Bristlecone量子处理器,一种72比特的设备。计划是继续推动这项工作。但是,第二小组正在研究一种具有可调整耦合机制的芯片,用于四个qubit。后者具有一些优势,研究人员很快将其扩展到18量子位。

“我们认为(采用这种方法)可以实现量子至上,而我们只是进行了所有研究并专注于[它],”马丁尼斯回忆说。但是,在Sycamore上增加的电路需要更多的导线(和空间)进行安装;结果,当时只能扩展到54量子位。当第一个54比特的Sycamore制造出来时,它的一根安装线就断了,变成了53比特的设备。即使这样,该设备的性能也足以进行量子至上计算。Martinis表示,他们现在能够更有效地处理布线,并且能够扩大qubit的数量。他说他们现在在实验室中有3或4个Sycamore处理器。

对于那些如此感兴趣的人,这里有一些关于本文芯片的技术细节:

“处理器是用铝制造的,用于金属化和约瑟夫森结,而铟则用于制造两个硅晶片之间的凸点。芯片被引线键合到超导电路板上,并在稀释冰箱中冷却至20 mK以下,以将环境热能降低到大大低于量子位能。处理器通过滤波器和衰减器连接到室温电子设备,后者可合成控制信号。可以使用频率复用技术同时读取所有量子位的状态。我们使用两级低温放大器来增强信号,该信号被数字化(在1 GHz时为8位)并在室温下以数字方式多路分解。我们总共精心设计了277个数模转换器(在1 GHz时为14位),以完全控制量子处理器。

“我们通过驱动25ns的微波脉冲来执行单量子位闸,该微波脉冲会以qubit频率谐振,同时关闭qubit-qubit耦合。对脉冲进行整形,以最大程度地减少过渡到更高的transmon状态。由于两级系统缺陷,杂散微波模式,与控制线和读出谐振器的耦合,量子位之间的残余杂散耦合,磁通噪声和脉冲失真,门性能会随频率变化很大。因此,我们优化了单量子位工作频率,以减轻这些错误机制。”

记住所面临的工程挑战是一件好事。就像芯片本身一样,所有布线都必须在极低的温度下在稀释冰箱中运行。随着导线数量的增加(即适应越来越多的qubit),可能会有热量损失影响这些系统的可扩展性。当被问到一个稀释冰箱中可以压缩多少个量子比特时(成千上万个),马丁尼斯说:“成千上万,我们相信。我们确实看到了前进的道路……但是,我们将建立一种科学工具,而这实际上将带来许多新技术。”

通常对于大多数应用需要更多的量子位。考虑使RSA加密无效,这是最受关注的量子计算应用程序之一。Martinis说:“突破RSA将占用1亿个物理qubit。你知道,现在我们在做什么?53.所以,这将需要几年时间。”

这通常是量子计算的难题。Martinis甚至称该练习在Sycamore上进行(大部分工作是在春季)是一个实际应用:“我们很高兴看到第一个有用的应用。有点“小众”,但是随着开发人员的使用,那里将会有一个真正的应用程序。”

也许更具体的是刚刚诞生的Google计划通过门户网站提供对其量子系统的访问。“实际上,我们现在正在内部使用Sycamore芯片进行内部实验,并测试我们的界面,以确定是否可以以这种方式使用它(作为门户访问的一部分)。然后,我们计划进行云服务。我们还没有在谈论它,但是明年人们将使用它……首​​先是内部人员和合作者,然后开放它,”马蒂尼斯说。IBM,Rigetti Computing和D-Wave 当前都提供基于Web的访问其系统的权限,这些访问权限涵盖了多种开发工具,教育资源,仿真以及量子处理器上的运行时。

Google首席执行官Pichai 在他的博客中说:

对于我们从事科学和技术工作的人们来说,这是我们一直在等待的“世界问候”时刻,这是迄今为止使量子计算成为现实的最有意义的里程碑。但是,从今天的实验室实验到明天的实际应用,我们还有很长的路要走。我们要实现更广泛的实际应用程序还需要很多年。

“我们可以在建造第一枚成功离开地球重力接触太空边缘的火箭的背景下考虑今天的新闻。当时,有人问:为什么不带任何有用的东西进入太空?但这是科学的重大开端,因为它使人类可以设想一个完全不同的旅行领域……到月球,火星和超越我们自己的星系。它向我们展示了什么是可能的,并把看似不可能的东西推向了框架。”

在接下来的几天里,将会有很多意见。在承认真正的成就和不煽动不现实的期望之间徘徊是对量子计算界的持续挑战。橡树岭(Oak Ridge)吹捧峰会在支持这项工作中的作用,并发布了新闻稿 -“该实验证明,今天的量子计算机可以在合成基准上胜过最好的传统计算,” ORNL研究人员和实验室量子计算研究所所长Travis说。谦卑。“我们还尝试了其他方法,但是我们的团队是第一个在真实系统上证明这一结果的人。”

最初发现未经批准的论文时 ,英特尔倍受热烈欢迎。今天,英特尔高级研究员兼英特尔实验室董事总经理Rich Ulig 在博客中再次这样做:

“有了这个令人振奋的消息,我们现在应该将注意力转移到建立一个系统的步骤上,该系统将使我们能够应对棘手的挑战,换句话说,就是证明“量子实用性”。为了实现量子实用性,英特尔研究人员使用了我们的高性能量子仿真器来预测量子计算机在解决名为Max-Cut的优化问题时将超过超级计算机的情况。我们选择Max-Cut作为测试用例,是因为它广泛用于从交通管理到电子设计的所有方面,并且因为它是一种随着变量数量增加而呈指数级复杂的算法。

“在我们的研究中,我们在一系列大小不断增加的Max-Cut问题上比较了耐噪量子算法和最新的经典算法。经过广泛的模拟,我们的研究表明,至少需要数百(甚至数千)个量子比特才能可靠地工作,量子计算机才能比超级计算机更快地解决实际问题……换句话说,行业可能需要几年才能发展出如此大的功能量子处理器,因此仍有工作要做。”

尽管实用的量子计算可能还需要几年的时间,但Google的突破似乎令人印象深刻。时间会证明一切。Google的量子计划大约有13年的历史,由Google科学家Hartmut Nevin于2006年开始。Martinis于2014年加入了这项工作,并成立了Google AI Quantum小组。观察它如何推出其Web访问程序以及量子社区的反应将是很有趣的。没有提到门户网站的时间表。

链接至自然论文:https : //www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5

链接到马蒂尼斯和Boixo的博客:https ://ai.googleblog.com/2019/10/quantum-supremacy-using-programmable.html

链接到Pichai博客:https : //blog.google/perspectives/sundar-pichai/what-our-quantum-computing-milestone-means

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