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潘禺:美國開始重新審視量子計算機,這對中國很重要
【文/觀察者網(wǎng)專欄作者 潘禺】
“當我想到我認識的十個最聰明的物理學家時,我會說,其中一半人確信量子計算將成為自切片面包以來最好的東西。這將是21世紀的技術(shù)。另一半人則確信,即使你能建造一個量子計算機(你肯定做不到),它也永遠不會比你的筆記本電腦更有用。在有史以來最有用技術(shù)和完全無用之間存在巨大的差距……”
“炒作是真的嗎?量子計算將改變一切,還是這真的被過度夸大了,這更多是一個基礎(chǔ)科學問題,對于美國來說,這是一個極其重要的問題。”以上這些話,來自美國國防部高級研究計劃局(DARPA)今年8月公布的一個視頻。
在國內(nèi)媒體上,中國公眾也已經(jīng)聽到了太多關(guān)于量子計算的美好承諾,但其中絕大部分都是空頭支票。如果能夠開發(fā)出能容錯的量子計算機,對各種科學和工業(yè)應(yīng)用都可能產(chǎn)生革命性的影響——這一假設(shè)尚未被證明,至少有兩個重要原因。
一個原因是,盡管已經(jīng)為量子計算機提出了一些算法和應(yīng)用,但在大多數(shù)情況下,尚未完成與現(xiàn)實世界中使用的最佳經(jīng)典替代方案進行嚴格比較。另一個原因是,尚不清楚何時或是否可以建造一個商用量子計算機,也就是其計算價值超過其成本,特別是對于需要容錯的應(yīng)用。容錯的商用量子計算機,復雜性可能超過傳統(tǒng)超級計算機。因此,要證明商用規(guī)模設(shè)計是可行的,所有必要的組件和子系統(tǒng)都能以所需規(guī)格生產(chǎn),并能成功集成,這非常困難。
商用量子計算機真的可能嗎?美國政府現(xiàn)在正努力審視這個問題了。
美國政府的懷疑
2024年7月,DARPA宣布了量子基準測試倡議(Quantum Benchmarking Initiative,簡稱QBI),針對那些認為自己有望開發(fā)出容錯的商用量子計算機的公司。前面提到的視頻,就來自QBI的概述。
所謂量子基準測試,就是要定量衡量量子計算的關(guān)鍵進展。對量子計算的未來承諾,往往是未經(jīng)證實的,那有什么基準能預測明天的量子計算機是否真正具有革命性?一個關(guān)鍵指標就是,估計給定基準性能水平所需的硬件資源。
早在多年前,DARPA就啟動了量子基準測試,在第一階段,有8個跨學科團隊編制了200多個潛在應(yīng)用,從中創(chuàng)建了20個候選基準,用量子計算機解決這些困難的計算任務(wù),具備經(jīng)濟效用并可以量化。
在下一階段,DARPA選擇了三大類特定基準,進行詳細研究,分別是化學、材料科學和非線性微分方程,在樂觀的承諾中,這些都是量子計算具備優(yōu)勢,可以更高效解決的問題領(lǐng)域。DARPA選擇了五個團隊,根據(jù)嚴格、以效用為驅(qū)動的標準完善這些選定的基準,評估現(xiàn)實世界的效用,并創(chuàng)建工具以估計在現(xiàn)實量子硬件上運行應(yīng)用程序端到端實例所需的資源和性能。結(jié)果表明,量子計算機為某些化學、材料科學應(yīng)用提供優(yōu)勢存在合理性,但目前尚不清楚是否能夠在非線性微分方程應(yīng)用中實現(xiàn)任何優(yōu)勢。
這次最新的倡議,名義上,DARPA聲稱是要與美國和世界各地的量子計算公司合作,確定哪些方法最有可能成功,并加以推進,但事實上,DARPA是想要重審形形色色的量子計算項目,檢驗方法和技術(shù)的成熟度。
DARPA想要回答兩個非常基本的問題。第一個問題是“如果我有一個真正強大的量子計算機。我能用它做什么?”第二個是“是否有商業(yè)公司、學術(shù)團體或任何團體有在近期內(nèi)真正構(gòu)建那種機器的路徑?”
按照DARPA的說法,被QBI資金選中的執(zhí)行者,要專注于開發(fā)并描述有真正價值的量子計算機,也就是其計算價值超過其成本,并且在近期內(nèi)有實現(xiàn)的合理途徑。DARPA的意思就是你們別玩虛的概念,要給出健全的研究和開發(fā)計劃,提供已證明效用的應(yīng)用和算法,驗證并確認概念可以按設(shè)計構(gòu)建并按預期運行,總之一句話,要對你們的項目做核實和評估。
而評估一個量子計算公司,看看他們的方法是否真的站得住腳,是否真的能在近期內(nèi)制造出商用的機器,這是非常困難的。所以DARPA將建立一個世界級的驗證和確認團隊,邀請美國和外國公司參與進來。
“如果真有可能構(gòu)建這樣一個(量子計算機),而且它真的可能具有變革性,那對于政策制定有著深遠的影響。如果結(jié)果如我們許多人懷疑的那樣,真的不可能,它真的不會做一些有用的事情,或者沒有路徑,我們也需要知道這一點,這樣我們就可以更好地規(guī)劃我們的基礎(chǔ)研究資金。因此,DARPA正在啟動一個名為量子基準測試倡議的項目。這是一個由DARPA牽頭的新的重大政府計劃,目的是嘗試做到這一點?!?
負責QBI的Joe Altepeter博士直言不諱地表示:“我們的初始立場是懷疑”。具體來說,就是懷疑是否可能建造一個完全容錯的量子計算機,擁有足夠數(shù)量的邏輯量子比特?!拔覀儠哌M房間說,‘我們相當確定你正在做的事情不會成功?!視弦恍∪嚎茖W家和工程師,我們會聽取你的證據(jù),并利用我們自己的分析進行雙重和三重檢查。如果我們確信你正在開發(fā)的技術(shù)通過了檢查,你發(fā)現(xiàn)了一些重大的東西,我們會告訴政府的其他人,并成為你方法的堅定支持者。”
量子霸權(quán)的爭議
2019年10月,谷歌宣布通過其53個量子比特的Sycamore處理器實現(xiàn)了量子霸權(quán)。在執(zhí)行隨機電路采樣的計算問題上,與經(jīng)典超級計算機相比,谷歌宣稱達到了以200秒對10000年的優(yōu)勢。特朗普的女兒伊萬卡·特朗普(Ivanka Trump)當時在社交媒體上對谷歌在量子計算領(lǐng)域取得的成就表示祝賀,并稱“美國實現(xiàn)了量子霸權(quán)”。
然而,IBM等公司對此表示質(zhì)疑,IBM認為使用經(jīng)典超級計算機完成相同任務(wù)所需的時間可以從谷歌聲稱的10000年降低到僅需2.5天,阿里巴巴也曾發(fā)表聲明否定谷歌聲稱的量子霸權(quán)優(yōu)勢,表示可將所需時間從10000年降低到20天內(nèi)。
量子計算機會比今天的計算機快多少倍,這是一個很自然的問題。不要被谷歌的說辭迷惑,首先要明白,谷歌或任何其他公司聲稱他們已經(jīng)實現(xiàn)了量子加速,都只是針對特定的、深奧的基準測試。他們的量子計算機既不能在通常的任務(wù)中勝過傳統(tǒng)計算機,也不能在破解密碼、模擬化學等有實際應(yīng)用的特定任務(wù)中勝過傳統(tǒng)計算機。
而即便在“人為指定的賽道”中,所謂量子霸權(quán)(或量子加速)也是難以證實的。
解決一個任務(wù)的運行時間取決于算法,通常會隨著輸入數(shù)據(jù)位數(shù)n的增加而增加,形成一個函數(shù)關(guān)系。比如,一個任務(wù)采用一個經(jīng)典算法需要的步驟數(shù)隨著n指數(shù)增長,而用量子計算機,以某種算法,步驟數(shù)只增長為n^2就能解決,在這種情況下,對于小n,用量子計算機解決問題實際上會比用經(jīng)典方法解決問題更慢、更昂貴。只有當n增長時,量子加速才會首次出現(xiàn),然后最終占據(jù)優(yōu)勢。
但我們怎么知道經(jīng)典計算機就沒有算法捷徑呢?這個問題是量子算法研究的核心,通常困難不在于證明量子計算機可以快速完成某件事,而是令人信服地論證經(jīng)典計算機不能。正如著名的難題P與NP問題,想要給出這樣的論證是非常困難的。而在過去的幾十年里,當發(fā)現(xiàn)具有類似性能的經(jīng)典算法時,之前推測的量子加速已經(jīng)反復消失。這也就是開頭所說的兩個重要原因中的第一個。
要講清楚另一個重要原因,理解構(gòu)建量子計算機的困難,就要先從更基本的原理講起。
- 原標題:美國開始重新審視量子計算機,這對中國很重要 本文僅代表作者個人觀點。
- 責任編輯: 李昊 
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