内情故事科技巨子抢夺量子霸权的高风险比赛(上)

2020-05-25 17:11:09 作者:责任编辑NO。石雅莉0321

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编者按:在摩尔定律即将寿终正寝的时候,量子计算给了人们新的希望。这种有望令全世界所有的经典计算机的能力加起来也黯然失色的新计算机,随着去年Google宣告实现量子霸权(量子计算机能轻松实现全世界上最好的经典超级计算机也完成不了的工作),最近又掀起了一轮炒作。量子计算机究竟是如何实现的?它的能力真的有这么强吗?我们距离实用的量子计算机还有多久?如果最终证明量子计算只是海市蜃楼会怎样?《连线》英国版的Jason Koxvold对此进行了剖析,原文标题是:Inside big tech’s high-stakes race for quantum supremacy。篇幅关系,我们分三部分刊出,此为上半部分。

划重点

Google去年宣称实现了量子霸权,但后来受到了质疑

有些问题经典计算机不擅长,比如不确定性问题

可以把量子比特看成是一个地球,在它的北极处为1,在南极处为0,同时在地球上的任何其他地方则是它们的叠加

除了可以更有效地模拟自然之外,量子计算机还能在内存中保留不确定性,并且以比传统机器快数千倍的速度解决类似旅行商问题之类的事情

要想观察量子又不干扰其状态需要量子纠缠

Ekert的演讲打响了量子竞赛的起跑枪

Google、IBM等走的是跟经典计算机更吻合的超导量子比特路线

微软想攻关未必存在的拓扑量子位——那玩意儿就像伏地魔的魂器

加拿大的D-Wave是个另类,其商用量子计算机只能解决特定问题

量子比特的数量没有“量子体积”重要

“量子霸权”已经让位于“量子优势”,实现量子优势可能还需要五年或者五十年的时间

从影响的角度来看,2020年1月的量子计算可能类似于1993年1月的互联网

如果因为存在某些真正根本的原因我们没法建造量子计算机的话,那会是一个更加美妙的场景:也许在此探索过程中我们将能揭示出宇宙的基本真理

加州圣塔芭芭拉附近的Google量子计算实验室,这是一个低温恒温器,旨在将量子芯片的温度保持在绝对零度附近

Google宣称实现量子霸权

2019年 6月4日,Sergio Boixo 把Google量子研究小组的同事召集到了一起,召开一次紧急会议。这个小组的成员分布在加州南部的两个地方,在过去十年大部分的时间里,他们的工作是尝试造一台能用的量子计算机——一种能够准确的通过量子力学定律进行工作的革命性设备。

好几个月以来,Google一直在逐步接近一个里程碑。这个里程碑有个名字,叫做量子霸权。一但实现量子霸权,就从另一方面代表着量子计算机能轻松实现全世界上最好的经典超级计算机也完成不了的工作。但有一个问题。

Boixo是西班牙人,个儿很高,留着灰白胡子。他设计了一个实验,一个经典计算机不可能解决,但对于Google的Sycamore量子芯片而言却很容易实现的任务。模拟情况看起来不错,到2019年4月底时,Google似乎就快要实现量子霸权了。但是随后,在5月31日的时候,Google内部的另一个团队发现,其实传统计算机完成这项任务要比原先设想的简单一百万倍。这样一来,他们的量子芯片就没法击败它了。Boixo 说:“我内心是有点恐慌。但是大家都很理解。”

七个月后,身穿粉红色毛衣和卡其裤的Boixo坐在Google圣塔芭芭拉实验室外面的一张野餐长凳上,正在跟他的同事那这短暂的挫折开玩笑。量子硬件工程师Anthony Megrant是在美军任职一段时间后进入这行的,他刚刚结束了6月初开始的陪产假回到实验室,却发现这里一片混乱。他笑道:“我当时的感觉是?没开玩笑吧?我才走了一周!”

经理失败的团队重新另起炉灶,到6月7日时,他们完成了对任务的重新设计,并把它编写到Sycamore量子处理器里面。这块芯片大小不过拇指甲,被放置在巨大的低温恒温器的底部,为的是将其冷却到比外层空间还要低的温度。在我们身后的那个矮而宽的米色建筑里面,这样的装置一共有五个。我们经过了挂在墙上的冲浪板,看到一群人在以诺贝尔物理学奖获得者理查德·费曼命名的会议室里面玩《 Super Smash Bros》,然后来到了冰箱那里——冰箱就像吊灯一样悬挂在天花板上:镀金的铜盘和错综复杂的接线最后全都汇聚到每个都印有一种Google logo颜色的嵌套容器里面的某一个点。

在显微镜下面,Sycamore芯片看起来就像其他的任何芯片一样——令人困惑的音色图案印在了黑色上面。但是在6月13日那一天,它实现了以前被认为不可能的事情。绿色低温恒温器里面的Sycamore芯片只用了3分钟20秒就完成Boixo设定的任务——而世界领先的Summit超级计算机完成同样任务大概要10000年的时间。2019年9月消息被披露出去时,一下子就成为了全球头条新闻,同事在这个持续不断的发展的领域引发了巨大争议。Megrant 说:“有人认为我们做的事情或者接下来的步骤是完全不可能的。”

Google量子计算理论首席科学家Sergio Boixo

量子计算的历史

1981年5月6日,理查德·费曼在帕萨迪纳加州理工学院发表了一次演讲,谈的是模拟大自然的挑战。费曼是量子力学领域的领军人物,而量子力学是物理的一门研究当规模缩小到很小很小的时候出现的奇怪现象的科学。在亚原子层面,自然不再遵守我们所熟悉的规律。电子和光子有时像波,有时像粒子(波粒二象性)。在对其进行测量之前,它们甚至可能同时处于这两个状态,或同时处于两个位置——这种现象称为量子叠加。不确定性已经根植在大自然的核心。

费曼是第一个意识到其隐含影响的人。如果你想精确地模拟物理,化学或其他任何复杂和微小的东西,就需要一种能够遵循同一种以概率为基础的量子力学定律的模拟。

对于传统计算机来说,这是个问题。传统计算机用的是位——位是一种小开关,要么处在 “1”的位置表示接通,要么处在“0”的位置表示断开。你访问的每一个网站,你玩的每一个视频游戏,你看的每一个YouTube视频最终都由这些1和0的某种组合来表示。但位是非黑即白的,表示的是要么/或者,对于表示不确定性不是很擅长,这在某种程度上预示着对于普通计算机而言,一些看似简单的问题可能会变得困难成倍增加。

旨在令量子计算机平民化的Strangeworks创始人William Hurley说:“假设我们想把你从英国送到美国的14座城市,要制定出最优路径——我的笔记本电脑一秒钟就能做到这一点。但是,如果我要去22座城市,用相同的算法和笔记本电脑的话就将需要2000年的时间。”

这是标志性的旅行推销员问题,那种可以证明量子计算机是无价的问题。经典设备如果想为你绘制拜访每一座城市的最佳路线,就必须检查每一个可能的访问顺序,因此,你给这段旅途每增加一站,所需要的计算能力就会膨胀——11个城市有2000万条可能路线, 12座城市就变成2.4亿条路线,而15个城市就已经超过了6500亿条路线。就像费曼所预期那样,对分子之间复杂的相互作用进行建模也会造成同样的问题——每添加一个变量,挑战就会不断加大。

几十年来,芯片制造商一直在通过将慢慢的变多的位打包到处理器里面,让控制它们的物理开关慢慢的变小来解决这样的一个问题。我们已从房间大小的机器里面的真空管变成了硅片上的数十亿个微型晶体管。但是,摩尔定律所预测的每两年微芯片上的晶体管数量将增加一倍的变化速度正在放缓。2012年,澳大利亚研究人员造出来由单个原子组成的晶体管,这种晶体管可以在两种状态之间切换,从而表示1和0。从此之后,除了迈进量子领域之外,计算机已经无处可走。

精密烙铁将量子组件固定在微软雷德蒙德园区的一块电路板上

1985年,牛津大学物理学家David Deutsch又比费曼多走了一步。他意识到,由量子组件构建的计算机可能要比物理模拟装置强大得多。按照他的设想,这些组件最终可成为量子位(“qubits”)——不是只能是1或0的位,而是既可以是1、0,或者也可以处在叠加状态,也就是同时可以是1也可以是0的状态。你可以将qubits 看成是一个地球,在它的北极处为1,在南极处为0,同时在地球上的任何其他地方则是它们的叠加。或者把它想象成一枚硬币——如果正面为1,背面为0的话,那么叠加就是旋转的硬币,充满着尚未实现的潜在未来。

Deutsch指出,由量子比特而非比特组成的计算机可通过量子力学的不确定性来获得优势。量子计算机不再需要依次尝试迷宫的每一条路径,而是可以同时沿着每一条单独的路径运行。除了可以更有效地模拟自然之外,它还能在内存中保留不确定性,并且以比传统机器快数千倍的速度解决类似旅行商问题之类的事情。

这就是怎么回事一些人认为量子计算机可以超越传统计算机的范围,创造出强大的新材料,加速应对气候变化的斗争,并且完全颠覆密码学的原因。

但是要想进行计算,你需要能够测量事物,并且把你找到的结果传递给方程式的下一个阶段。用叠加的方式去测量某物会导致其脱离原来的状态——光子似乎不再同时位于两个位置。薛定鄂的猫既是死的,也是活的。你需要能够在不影响其旋转的情况下移动那枚旋转的硬币。幸好量子力学还有一个奇怪的特性才能这个成为可能,也就是量子纠缠。

出于物理学家经过近一个世纪的尝试仍无法真正解释的原因,量子力学允许两颗粒子相连——纠缠在一起。哪怕它们之间相距很远,但是其中一颗粒子发生的任何事情也会会立即发生在另一颗纠缠的粒子上。这项观察让学生头痛了几十年,但这也代表着至少在理论上量子信息可以从一个地方转移到另一个地方而不会出现潜在的叠加崩塌。

到1992年时,少数爱好者开始关注着量子计算的潜力,但如果不是因为有了工业控制管理系统制造商Elsag Bailey(现在是ABB的一部分)的IT负责人Giuseppe Castagnoli的话,这种潜力可能仍然只局限在理论领域。

牛津大学量子物理学教授Artur Ekert是Castagnoli举办的年度研讨会的与会者,他回忆道:“他说服了他的公司去赞助一系列的会议而不是赞助一些艺术展。”从1993年至1998年,他们每年都会在俯瞰都灵的山顶酒店Villa Gualino举办相关的研讨会,交换意见。当年出席的年轻学者都是如今在量子计算领域最有影响力的人之一。

1994年, Ekert 通过你自己在Villa Gualino会议所吸收的一些想法,在科罗拉多州博尔德举行的国际原子物理会议上发表了一次演讲。他第一次把量子计算分解为基本的构建块,将其与经典设备做了比较,并描述了构建量子机器所需的开关和逻辑门的类型。

Ekert的演讲打响了量子竞赛的起跑枪。他说:“这次会议制造一场雪崩。突然之间,计算机科学家们开始谈论算法;原子物理学家认为自己可以发挥作用。慢慢地,量子计算开始蔓延到其他领域,并开始加速发展,最后发展成为你今天看到的行业。”

但是,在成为一个产业之前,科学家们必须弄清楚怎么才能真正地构造出一个量子比特来。在1990年代,这种建构仍然完全属于纸上谈兵。为了让量子计算发挥作用,科学家需要找到或创造出足够小,能符合量子力学定律的东西,但同时又要足够大,这样才可以进行可靠的控制。这一追求将我们对物理学和材料科学的理解推到了极限。

IBM的Thomas J Watson研究中心内部

译者:boxi。

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