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Google的量子电脑比普通电脑快1亿倍? 专家表示言之尚早

发布时间:2020-08-14

D-Wave系统(D-Wave Systems)号称是是世界上唯一销售商用量子电脑的公司,自2007年首次公开示範其「量子运算系统」后,一直争议不断。学术界有不少声音质疑,D-Wave系统提供的到底是否量子电脑——假如属实,在解决某些问题上其运算能力将远超目前的电脑,包括破解一些常用的公匙加密法。

量子电脑专家普遍认为,D-Wave系统应该发表多几篇学术论文,而非办新闻发布会。但对D-Wave系统的创办人佐迪·罗斯而言,那一场公开示範却非常重要,因为吸引了Google的关注。自那时起,Google已非正式跟D-Wave系统合作,研究其处理器的潜力。

2009年,Google一支研究队伍写了一个在D-Wave处理器上运行的演算法,让电脑探测器透过「看」2万张照片就能学习辨认车辆。在Google的研究博客上,图像识别技术组负责人Hartmut Neven表示,虽然仍有很多问题尚未解决,但他们观察到这个探测器的表现,比起他们以其数据中心的电脑运行传统演算法「训练」出来的探测器更好。

2011年,全球最大的国防工业承包商Lockheed Martin成为D-Wave系统的首名客户,双方签下多年合约,购入D-Wave One量子运算系统以及维修服务。2013年,Google跟美国太空总署(NASA)及大学太空研究协会(USRA)合作,设立实验室主攻机器学习等问题,购入D-Wave系统第二代量子运算系统D-Wave Two,今年9月有报导指这个量子运算系统已按合约更新至最新一代的D-Wave 2X。

量子电脑超简介

现时我们使用的传统(或称作「古典」)电脑——不论你是用手机、平板、手提电脑抑或桌面电脑、也不论你使用甚幺作业系统——处理资讯的最基本单位是位元,其英文原名”bit”乃”Binary digit”(二进制数位)的缩写。

一个位元只能是两个值的其中一个,在传统电脑中通常以0及1表示,换言之在电脑中一个位元只能是0或1。电脑上的一切工作,背后就是把资讯编码成一连串的0和1,以及对这些0和1作出相应运算。

而量子电脑则利用了量子力学中粒子的奇怪特性去进行运算,在解决某些问题上效率远超传统电脑。量子力学如何奇怪在此按下不表,粗略来说,量子电脑中的基本单位是「量子位元」(qubit, quantum bit之缩写),不像传统的位元只能是0或1,而是可以「同时是0及1」。

接下来先打个比喻,传统的位元就像只能是红色或蓝色的小球,透过按规则编排这些小球,电脑可以完成各式各样的工作。而量子位元则像个「同时是红色及蓝色」的小球——慢着,怎可能同时是红色及蓝色?那是因为量子力学涉及微观的粒子世界,在那儿一切常识皆不适用。

量子位元以粒子表示,而这些粒子处于所谓的「叠加态」(superposition)——这是个量子力学术语——在测量之前我们无法确认其状态。用我们的比喻,在查看这个量子位元之前,我们无法得知它究竟是红色抑或蓝色——物理学家告诉我们,直到查看之前它同时是红色及蓝色。

惊人的量子电脑

这个奇怪的特性,使量子电脑的在处理某些问题上,其速度远超过现有电脑及演算法。

自数学家Peter Shor在1994年设计出Shor演算法,证明量子电脑分解质因数——一项耗时甚长的工作——能够比传统电脑快得多后,人们才意识到量子电脑有实际用途,例如破解密码,并加速研发。

听起来很吸引,然而目前物理学家製作出来的量子电脑,分解到的最大数字只有56153。原因在于,量子电脑须依赖量子力学另一奇怪特性——量子缠绕 (quantum entanglement)——才能「操控」量子位元运作。而要确保要量子电脑顺利运行,就得尽量避免外界干扰,以免影响量子缠绕,但暂时物理学家仍未能操控太多量子位元。

量子运算的另一条路?

2003年,罗斯认为这种量子电脑的标準模型「是个很差的主意」,因此转向「绝热量子运算」(Adiabatic quantum computation),一种适合用来解决最优化问题——在特定条件限制下找出最佳结果的问题——的技巧。

目前的D-Wave量子运算系统,就是专门设计用来运行量子退火算法(quantum annealing,又是一种解决最优化问题的技巧),跟上面提到的量子电脑有根本分别,例如无法运行Shor演算法。起初不少人怀疑D-Wave运算系统是否真正用上了量子效应,质疑该公司为何不提供证据,其运作原理亦成谜。

Google的量子电脑比普通电脑快1亿倍? 专家表示言之尚早

2011年,D-Wave系统在科学期刊《自然》刊登了一篇论文,说明D-Wave的晶片拥有某些量子特性,使一直怀疑D-Wave的麻省理工学院教授、电脑专家Scott Aaronson宣布,从「首席D-Wave怀疑者」的位置上退下来。而在2013及2014年均有证据显示,D-Wave运算系统在运作时确实出现一些量子效应。

然而Aaronson仍怀疑D-Wave的运算能力会否远超于传统电脑,这并非毫无根据。早前一些研究发现,D-Wave运算系统未有显示出所谓「量子加速」——如量子电脑般速度远超传统电脑——的情况,甚至不比一部普通手提电脑快。

比普通电脑快1亿倍?

Google的研究团队日前就发表了一篇论文,比较了他们最新的D-Wave 2X量子运算系统以及一部单核心电脑,在若干涉及量子退火算法的问题上表现如何。研究人员以D-Wave 2X运行量子退火算法,跟传统电脑运行模拟退火(simulated annealing, SA)及量子蒙地卡罗(quantum Monte Carlo, QMC)算法比较,处理的问题涉及1000个变量。

结果发现,D-Wave在运行速度上比普通电脑运行模拟退火法及量子蒙地卡罗法最高分别快上1亿及1000万倍。但研究人员也提到,对于测试所用的特定问题,有其他更好的演算法能在普通电脑上表现超越D-Wave 2X。他们之所以用上模拟退火,是因为这演算法在最优化问题中常用,而且可以跟量子退火作类比。

Aaronson以及3名物理学家均表示,结果不能简单理解成「量子电脑比普通电脑快1亿倍」。除了因为传统电脑可以使用更佳的演算法外,也因为D-Wave 2X使用量子退火的表现,未有显示出所谓的「量子加速」。

不仅要快

理论上,问题所需要处理的变数越多,量子电脑的优势便越明显。这是因为每处理多一个量子位元,量子电脑处理的资讯量便翻倍︰10个量子位元可以同时处理过千个数字;20个量子位元就能同时处理过百万个数字了。但对传统电脑而言,所需的运算时间会或会以指数上升。因此量子电脑最令人期待的地方在于,能够以极高速度处理一些传统电脑可能要花上千年计算的问题。

而Google的图表显示,随着问题所涉及的位元增加,D-Wave 2X的运算时间增长模式跟量子蒙地卡罗法类似︰虽然D-Wave 2X要比量子蒙地卡罗法快1000万倍,但两者运算时间增长率类似。Google的文章也表示,根据目前的结果仍不能声称「量子加速」存在。然而他们对D-Wave的未来感到乐观,认为随着下一代的量子退火器发展,在问题难度增加后现有的最佳算法将不再有效率。

简言之,量子电脑仍然在起步阶段,而D-Wave的量子运算系统则未能展示出其运算能力高于普通电脑——遑论超级电脑,也未有显示任何「量子加速」的迹象。要说Google证明了他们的量子电脑比传统电脑快1亿倍,更是言之过早。

When can Quantum Annealing win? (Google Research Blog)Google Claims Its D-Wave Quantum Computer Is the Real Deal—Sort Of (Motherboard)Why Google’s new quantum computer could launch an artificial intelligence arms race (The Washington Post)Google’s quantum computer is 100 million times faster than your PC (Wired UK)D-Wave’s Quantum Computer Courts Controversy (Scientific American)Google’s Quantum Computer Proven To Be Real Thing (Almost) (Wired)D-Wave: Truth finally starts to emerge (Scott Aaronson)编结量子计算(科学人杂誌)Google and NASA Snap Up Quantum Computer D-Wave Two (Scientific American)Google, NASA Open New Lab to Kick Tires on Quantum Computer (Wired)First sale for quantum computing (Nature)

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