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“量子霸权”的角逐中,谁是赢家?

行云流水| 2019-10-24 14:34 阅读 109 评论 0

      量子霸权是指量子计算拥有的超越所有经典计算机的计算能力。在物理实验上,迄今还没有任何一台量子装置在实际实验中展现出这种能力。实现量子霸权,将代表超越经典的量子计算能力从理论走进实验,标志着一个新的计算能力飞跃时代的开始。实现量子霸权离实现实际的量子计算机尚有很大距离。所以当前实现量子霸权绝非易事。

  不过谷歌和IBM两家大型科技公司在量子计算领域的激烈竞争,却有了新的进展。

  一个月前谷歌声称第一个实现“量子霸权”,打造出第一台能够超越当今最强大的超级计算机能力的量子计算机,并首次在实验中证明量子计算机对于传统架构计算机的优越性:在世界第一超算Summit需要计算1万年的实验中,谷歌的量子计算机只用了3分20秒。

  而近日IBM公司研究员周一发布论文称,谷歌公司宣称成为了首家实现“量子霸权”的公司,到达了计算历史上的一个转折点,这是错误的,计算方式有bug,现代超算根本不需要花费那么长的时间。

“量子霸权”的角逐中,谷歌和IBM谁是赢家?

  “我们已有足够的证据表明’量子霸权’一词被广泛误读且造成越来越多的困惑,我们建议大家不要再使用这个词,且希望社区尽早放弃继续使用这个词。”IBM博客中写道。

  IBM研究人员称,量子计算机并不是传统计算机的“霸权”,因为实验室所做的实验旨在实施一种非常具体的量子采样程序,而没有实际应用。

  其博客指出,谷歌在估算经典超算需要10000年来计算的估算上出了问题,而IBM的方法可以让超算在2.5天内以更高的保真度完成相同计算任务。这还是”保守的、最坏情况的估计“,其他研究能进一步减少时间。

  而谷歌10000年的估算,是基于一个错误的假设,即在经典计算机中运行问题的量子模拟所需要的RAM会非常高。谷歌用时间来弥补空间的不足,才估计出10000年的时间。

  五位IBM研究人员还发表了一篇论文《Leveraging Secondary Storage to Simulate Deep 54-qubit Sycamore Circuits》来支持其看法。

“量子霸权”的角逐中,谷歌和IBM谁是赢家?

  对此,谷歌暂未发表评论。

  下面是IBM研究博客全文:

  量子计算机已开始接近经典模拟的极限,重要的是,我们继续对进展进行基准测试,并探究它们的模拟难度。这是一个有趣的科学问题。

  量子计算的最新进展产生了两个53量子比特的处理器:一个是来自我们IBM集团的处理器,另一个是谷歌泄露的论文预印本中描述的设备。

  在预印本中,有人称他们的设备达到了“量子霸权”、“一台最先进的超级计算机将需要大约10000年的时间来执行相同的任务”。

  我们认为,2.5天之内在经典(超算)系统上就能进行和(和谷歌量子计算机)同一任务的理想仿真,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,而且我们期望通过进一步的改进,能进一步降低模拟的成本。

  因为John Preskill在2012年提出的“量子霸权”一词的原始含义,是描述量子计算机可以完成传统计算机无法做到的事情,所以这个门槛还没有达到。

  这种“量子霸权”的特殊概念是基于执行一个随机量子电路,该电路的大小无法用任何可用的经典计算机进行仿真。

  具体而言,谷歌的预印本展示了一个53量子比特的量子处理器的计算实验,该处理器实现了一个深度为20的超大型二量子比特(2-qubit)的量子电路,具有430个二量子比特和1113个单量子比特门,预计总保真度为0.2% 。

  他们对10000年的经典模拟估计是基于以下观察结果:在Schrödinger型的模拟中存储完整状态向量的RAM内存需求是禁止的,因此需要借助Schrödinger-Feynman模拟来权衡空间与时间。

  “量子霸权”的概念展示了量子计算机独有的资源,比如直接达到纠缠和叠加。但是,经典计算机拥有自己的资源,如硬件中的存储层次结构和高精度计算、各种软件资产以及广泛的算法知识库,在将量子(计算机)与经典(超级计算机)进行比较时,利用所有这些功能非常重要。

  当与经典计算机进行比较时,他们依赖于先进的仿真,该仿真利用了并行性、快速且无错误的计算以及庞大的聚合RAM,但未能充分考虑大量的磁盘存储。

  相反,我们的Schrödinger式经典仿真方法同时使用RAM和硬盘空间,来存储和操纵状态向量。我们的仿真方法采用的性能增强技术包括电路划分、张量缩并递延、门聚合和批处理、聚合通信的精心协调以及众所周知的优化方法(例如缓存块和双缓冲),以使通信遍历交叠于混合节点的CPU和GPU组件之间进行计算。进一步的细节可以在《Leveraging Secondary Storage to Simulate Deep 54-qubit Sycamore Circuits》论文中发现。

  “量子霸权”的角逐中,谷歌和IBM谁是赢家?


  ▲预期经典计算运行时间与“ 谷歌 Sycamore电路”的电路深度的分析。蓝线估计了一个53量子位处理器的经典运行时间(电路深度为20时为2.5天),而橙线则估计了一个54量子比特处理器的运行时间。

  我们的仿真方法有许多不错的特性,这些特性不会直接从经典世界转移到量子世界。例如,一旦经过经典计算,就可以任意多次访问整个状态向量。

  我们的仿真方法的运行时间与电路深度大致成线性比例(请参见上图),没有由于相干时间有限而带来的限制。新的且更好的经典硬件、用以更有效地利用经典硬件的代码优化,更不用说利用GPU-direct通信来运行感兴趣的某种最强仿真,可以大大加快我们的仿真速度。

  建立量子系统是科学和工程的壮举,对它们进行基准测试是一个巨大的挑战。谷歌的实验很好地展示了基于超导的量子计算的进展,展示了53量子比特设备上的最新门保真度,但它不应被视为证明量子计算机相对于经典计算机“霸权”的证据。

  在量子社区中众所周知,我们IBM担心“量子霸权”一词的指向性。John Preskill最近在《量子》杂志上发表的一篇有思想的文章中,讨论了这一术语的起源,包括合理的辩护和对某些有争议维度的坦率反思。

  Preskill教授总结了对该术语的两个主要反对意见,说“这个词加剧了对已经夸大其词的量子技术现状的报道”,并且“通过与白人霸权的联系引起了令人反感的政治立场。”

  两者都是明智的反对。而且我们还要补充一点,“霸权”一词几乎被所有人(在可以将其置于适当背景下的量子计算专家的稀缺世界之外)误解了。包含“量子霸权已实现”的一些变体的标题出现,不可避免地会误导公众。

  首先,因为如上所述,按照其最严格的定义,该目标尚未实现。但从根本上说,量子计算机永远不会取代传统计算机,而只能与它们协同工作,因为每种计算机都有其独特的优势。

  由于上述原因,并且由于我们已经有足够的证据表明“量子霸权”一词被广泛误解并引起越来越多的混乱,因此我们敦促社区处理有关量子计算机第一次做到这一点的主张。由于基准测试一个适当的度量标准很复杂,一个经典计算机无法对此质疑。

  为了使量子能够对社会产生积极影响,当前的任务是继续构建并使更广泛可访问的功能更强大的可编程量子计算系统。该系统能够可再现且可靠地实现各种各样的量子演示、算法和程序。这是在量子计算机中实现实用解决方案的唯一途径。

  最后一点想法。量子计算的概念正在激励新一代物理学家、工程师和计算机科学家,从根本上改变信息技术的格局。如果您已经在推动量子计算的前沿,那么请继续保持势头。如果您是该领域的新手,请加入该社区。去吧,在今天的真实量子计算机上运行您的第一个程序。

  最好的还在后面。

  ——IBM Q的首席架构师Dmitri Maslov也为本文做出了贡献。

  在这场“量子霸权”的角逐中,还没有输家。但是IBM可能刚刚获胜了。

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