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衡宇 發(fā)自 凹非寺
量子位 | 公眾號(hào) QbitAI

谷歌量子計(jì)算，曾聲稱能在200秒內(nèi)搞定普通超算10000年完成的任務(wù)。

沒想到，這個(gè)“量子優(yōu)越性”現(xiàn)在被中科院理論物理所的研究人員打破了：

他們用普通處理器，在幾小時(shí)內(nèi)完成了原本被認(rèn)為要花1萬年的計(jì)算，并認(rèn)為目前的量子計(jì)算機(jī)完全是可以被超越的。

ACM計(jì)算獎(jiǎng)得主Scott Aaronson也認(rèn)同這個(gè)結(jié)論：

最近Science上刊登了關(guān)于這事兒的文章，一起來看看究竟發(fā)生了什么。

無法超越？優(yōu)化給你看

中國科學(xué)院理論物理研究所的張潘團(tuán)隊(duì)，發(fā)表了一篇名為《Sycamore 量子優(yōu)勢(shì)電路采樣問題的求解》的論文，展示了擊敗谷歌量子計(jì)算機(jī)Sycamore的全過程。

針對(duì)谷歌“量子優(yōu)越性”的任務(wù)，文中提出一種新的模擬方法，即經(jīng)典算法張量網(wǎng)絡(luò)方法。

要說它怎么個(gè)好法，就是可以使用許多的GPU并行計(jì)算。

利用512個(gè)GPU的計(jì)算集群，團(tuán)隊(duì)計(jì)算了9萬億個(gè)數(shù)字字符串中的100萬個(gè)輸出模式（即53量子比特、20循環(huán)的量子線路采樣），這一計(jì)算過程耗費(fèi)15個(gè)小時(shí)。

如果把這算法用在超級(jí)計(jì)算機(jī)上，幾十秒就可以完成相同任務(wù)。

這個(gè)任務(wù)如果給Sycamore做，用時(shí)約在200秒內(nèi)；超級(jí)計(jì)算機(jī)則需要10000年才能完成（谷歌是這么說的）。

△谷歌量子計(jì)算芯片，就一張郵票大小

團(tuán)隊(duì)還秉承著一個(gè)觀點(diǎn)，那就是和Sycamore一樣，不需要過分追求精確。

團(tuán)隊(duì)用張量來表示量子比特屬性之間的關(guān)系，把Sycamore量子比特的相互作用描述為3D張量網(wǎng)絡(luò)。

所以，他們?cè)?D張量網(wǎng)絡(luò)上“鉆孔挖洞”，削減一些連接來簡化關(guān)系，減小計(jì)算復(fù)雜度，以準(zhǔn)確性換速度。這種收縮張量網(wǎng)絡(luò)的方法，讓模擬量子芯片成為可能。

數(shù)據(jù)證明，完成任務(wù)過程中，計(jì)算速度提高了256倍，且保真度保持在0.37%，高于Sycamore的0.2%。

種種數(shù)據(jù)擺在眼前，“量子優(yōu)越性”突然就沒那么香了。

“量子優(yōu)越性”擂臺(tái)，搭起來

面對(duì)這個(gè)結(jié)果，谷歌量子AI首席研究員Sergio Boixo回應(yīng)認(rèn)為，這只是在賽道上短暫超車，優(yōu)勢(shì)不會(huì)持續(xù)太久的。

從量子計(jì)算時(shí)代剛開啟時(shí)，谷歌就沒否定過經(jīng)典算法會(huì)持續(xù)改進(jìn)完善這一點(diǎn)。

不過，谷歌也表示：

畢竟Sycamore誕生時(shí)，超級(jí)計(jì)算機(jī)只能對(duì)它所執(zhí)行的任務(wù)望而卻步。

創(chuàng)造量子計(jì)算機(jī)出來，就是執(zhí)行那些計(jì)算量會(huì)“淹沒”普通計(jì)算機(jī)的任務(wù)。

對(duì)于量子計(jì)算機(jī)來說，所有任務(wù)的潛在解決方案都可以被看做是同時(shí)在量子比特之間晃動(dòng)的量子波。

這些量子波互相干擾，錯(cuò)誤答案會(huì)相互抵消，正確的輸出就會(huì)“彈”出來。

換句說話，這種干擾讓量子計(jì)算機(jī)能夠拆分需要計(jì)算的大量數(shù)據(jù)。

拿Sycamore來說，它把量子比特設(shè)置為0、1或者0和1的任意組合，這讓它能夠同時(shí)處理大量輸入。

Sycamore是一臺(tái)53量子比特的量子計(jì)算機(jī)，它的量子電路是由超導(dǎo)金屬制成的微型諧振電路，能編碼從0到253（約9萬億）間的任何數(shù)字，甚至可以一次編碼所有數(shù)字。

谷歌表示，Sycamore可以打敗IBM開發(fā)的超級(jí)計(jì)算機(jī)Summit。Summit擁有9216個(gè)CPU和27648個(gè)GPU。

IBM當(dāng)即給予反駁，說谷歌所謂相同任務(wù)超級(jí)計(jì)算機(jī)需要用時(shí)的“10000年”，只是在特定算法上。

一旦算法優(yōu)化，只需約2.5天，Summit就搞得定相同任務(wù)。

關(guān)于“量子優(yōu)越性”，業(yè)界、學(xué)界的爭論從未停止。

張潘團(tuán)隊(duì)的這篇論文，就是用實(shí)例證明了“量子優(yōu)越性”現(xiàn)階段還是可以被普通計(jì)算機(jī)打敗的。

One More Thing

張潘團(tuán)隊(duì)的研究成果凸顯了量子計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相比存在的缺陷，這對(duì)更領(lǐng)先的“量子優(yōu)越性”實(shí)驗(yàn)提出了更高要求。

張潘提出，應(yīng)該找到一些可以落地的實(shí)際應(yīng)用來展現(xiàn)量子電路的優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)然，普通計(jì)算機(jī)打敗“量子優(yōu)越性”并不意味著量子電路的式微。

哪怕是與超級(jí)計(jì)算機(jī)相比，Sycamore的操作步驟和所需功率都要少得多。就連張潘自己都說，如果Sycamore保真度再高一點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)的模擬就比不過了~

參考文章：
[1]https://www.science.org/content/article/ordinary-computers-can-beat-google-s-quantum-computer-after-all?s=31
[2]https://www.science.org/doi/10.1126/science.365.6460.1364
[3]https://arxiv.org/pdf/2111.03011.pdf