2019年9月20日,美国NASA意外刊出了Google量子运算的研究论文,其中提及Google所研发的Sycamore(梧桐树)量子计算机,竟仅花200秒就可完成全球最强超级计算机所需耗时1万年的复杂运算任务,引起科学界一片哗然。众说纷纭之际,该论文却又紧急下架,直至10月23日才又正式在《Nature》期刊上重新发布。
Google官方宣称该项技术的突破,可媲美1903年莱特兄弟发明全球第一架飞行器的光荣时刻,象征人类科技史上的“Hello Quantum World !”,证明“量子霸权(Quantum Supremacy)”不再是神话,充满量子科技的未来世界指日可待。
Google宣称“量子世界”来到,用200秒完成超级计算机运算1万年的任务
“量子计算机”的概念在1980年代初期由美国诺贝尔物理学奖得主Richard Feynman首度提出,运用量子力学原理所设计的“可逆计算”计算机模型,相较古典计算机具有指数级别的“超高速运算优越性”。
Google身为世界投入量子计算机的先驱,埋首量子领域13年,其最新研发的超导体量子处理器Sycamore,具有53个量子位元(原6×9二维数组、其中1个失效),共可存储253(≈1016=9.7千万亿)的位元串数据量。
为了证明在“量子霸权”的能力,Google设计了一项特殊问题:求解“量子电路”随机输出任意位元串的乱数分布几率,例如{0000101…}。由于量子干涉性(Quantum Interference),某些位元串的发生几率会较高,可借由100万次采样运算,确保系统高保真度。该实验同时以美国能源部的超级计算机Summit模拟量子电路作为对照组,比较两者的运算结果是否相符与各自所需执行时间。
实际上,两者之间差距为何?在初始模拟若干量子位元时,超级计算机Summit的运算能力游刃有余,与量子计算机Sycamore的运算时间相差无几。但随着量子位元数目以及采样次数的渐进增加,系统复杂度大幅提升,两者的时间差距呈现指数级扩大,最终Sycamore量子计算机仅花200秒便完成253个随机乱数的发生概率,但推测估计Summit超级计算机完成同样工作需耗时达1万年!Google的测试证明,使用量子计算机可实现过去古典计算机所难以企及的问题,故主张完成“量子霸权”。
IBM暗讽Google“量子霸权”说法过于浮夸,且解决的问题不具有任何实用性
Google的研究为科研界投下了一颗重磅炸弹,但另一量子计算机巨头IBM却反对这个说法,在去年10月22日发文严正驳斥Google“量子霸权”的真实性。
IBM表示,Google假定的算法并未充分发挥超级计算机的运算优势,经过IBM团队重新修正与验证之后,预估超级计算机的运算时间将从1万年大幅缩减至2.5天。因此,IBM主张用超级计算机运算此项问题并非难以企及,不应该视此为完成了“量子霸权”。同时,IBM认为量子计算机与超级计算机各有所长,两者应互为协同合作关系,且发展量子计算机并非要取代古典计算机,暗讽Google说法过于夸大。
不让Google做霸权美梦,IBM也积极投入量子计算机的研发。
此外,另有专家主张Google所设计的随机乱数问题相当偏颇,顶多证明其高速运算性能,但距离社会大众引颈期盼量子计算功能真正解决实用问题的理想场景,如预测气候变化、推荐药物最佳成分组合等,仍有一大段差距。
同时,既然超级计算机仍可耗时解答Google所设计的问题,那么实际情况并非“量子霸权”所称“量子计算机可以解决古典计算机永远无法处理的问题”,而更接近“量子优势”所称“量子计算机明显拥有比古典计算机更快的运算能力”,因此削弱了Google刻意塑造“量子霸权”的神话地位。
“量子时代”曙光乍现,但商业应用尚处于萌芽期
尽管Google是否达到“量子霸权”仍备受争议,但无可否认的是,相关研究的确大幅缩短了运算时间,验证了量子计算机的未来发展潜力。正如同莱特兄弟飞机首航12秒、苏联首颗人造卫星Sputnik升空一般,当下虽未能证明有何实际应用,却为下一个工业时代画下新的起点。
不过,50个量子位元仍不足以解决现实世界的量子问题,这仅是超级计算机可以模拟单一个苯环分子结构状态的程度。后续尚有如何发展实用的量子算法、提高量子位元数目、延长相干时间、容错与降低功耗等挑战,甚至与古典计算机混合使用的新课题,可以预见这是遥远的未来,而商业应用研究正处在早期的起步阶段而已。