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哈佛大学教授问与答:解析量子计算浪潮

作者:Alvin Powell / 哈佛大学特约撰稿人

译文:Liuwu Wang

 

乘着量子计算的浪潮,哈佛大学量子计划负责人Lukin 谈量子优势和谷歌宣布的成就。

前不久,谷歌科学家宣布突破了量子霸权里程碑,首台实验性的量子计算机在几分钟内解决了一个传统计算机需要上万年(按谷歌的计算是10000年)才能解决的问题。这一声明后来受到了竞争对手 IBM 科学家的质疑,IBM质疑谷歌“量子优势”,但是最后谷歌Nature发文明确“优势“属实,证实了这一突破 。而在刚刚结束的微软Ignite会议上,微软也正式宣布推出量子计算云服务Azure Quantum。量子计算的关注持续走高。

量子计算机被广泛赞誉可实现“量子优势”,其能力甚至大大超越了当今世界上最强的超级计算机。当然,其奥妙是利用了物质在极小尺度上的神秘特性,使得其计算能力大为提高。

对于谷歌声称首次实现里程碑量子优势,哈佛大学物理学教授Lukin饶有兴趣地观看了这一幕消息,部分原因是他已经与哈佛大学和麻省理工学院(MIT)的合作者一起建造了一台与谷歌相似的量子设备,并已经用它来解决相关科学问题。Lukin是哈佛量子计划的共同负责人,他在接受Gazette采访时谈到了上个月谷歌量子优势(也有译作“量子霸权”)声称量子计算里程碑的新闻,对于量子计算的发展,以及很多疑惑作了解答。

哈佛大学教授问与答:解析量子计算浪潮
(来源:Forest Stearns/Google AI Quantum Artist in Residence)

 

上图是一位艺术家绘制的谷歌量子计算机芯片Sycamore及其周围的硬件构造图。

直入主题,如下是采访内容简录,讨论内容中肯,译者整理后以文字形式供读者参考,仅作学习交流:

哈佛大学教授问与答:解析量子计算浪潮

GAZETTE:什么是“量子优势” ?为什么谈论量子计算很重要?

LUKIN:首先描述一下量子计算机,它是一种利用量子力学规律来处理信息的物理设备,它在用新的方法去处理信息(这个新方法对信息科学发展极为重要)。而量子力学主要描述了微观层面上粒子、原子或原子核的行为。

GAZETTE:量子计算机用了哪些在经典世界中我们期望的特殊行为?

LUKIN: 量子计算利用了经典世界里不具备的特殊物理行为,特别是量子世界中一个非常奇怪的叠加(Superpostion)特征。也就是说,物体可以同时处于几种不同的状态。对于宏观世界而言,这听起来很奇怪,但是在量子世界里,一个物体可以同时在你的办公室和我的办公室里。尽管这听起来很诡异,但“量子叠加”已经得到了证实,而且在过去的一个世纪里,它已经在涉及单个原子等微观物体的实验中得到了常规进展研究。

GAZETTE: 照此说来,量子计算并不是一个新的想法,可以说不是革命性的,因为它已经存于日常生活中,对吗

LUKIN:是的。某些现有的技术,如磁共振成像(MRI)也是基于这种叠加的特性。所以当你在医院做核磁共振的时候,就已经用到了叠加态。叠加态看起来很奇怪,因为这样的特性在宏观世界中并不存在。不过,微观世界里的量子叠加是极其脆弱的,容易受到外界任何形式的环境干扰。比如,一个光子的击中,就能导致态叠加特性坍缩(Collapse)。

这意味着当你看着它的时候,你总是会在一个地方或者另一个地方发现一个“物体”(已经从叠加态坍塌成常规态)。量子计算的想法就是利用这些叠加来大规模并行处理机来处理信息。如果你使用传统的计算机,你会用一串0和1来编码你的信息。在量子计算机中,你可以准备一个有各种0和1组合的状态,它可以处于一种状态0,也可以处于另一种状态1,还可以同时处于另一种状态(0&1)。然后,只要它能保持这种叠加态,它就能同时处理所有这些输入。这种巨大的并行性产生了一台非常强大的计算机。

哈佛大学教授问与答:解析量子计算浪潮

“即使是谷歌的团队也会认同,现在的真正目标是展示一些实例,说明量子计算机可以用于科学应用或通用应用。”— Mikhail Lukin

GAZETTE:什么是“量子优势(Quantum supremacy)”的基准,谷歌宣称,它上周通过了?

LUKIN:这种巨大的并行性计算使得人们可以在经典计算机上以指数级速度进行量子计算模拟。模拟量子比特存储叠加态。即使一台量子计算机看起来只有50个量子比特,这看起来很小,但是对于一台经典机器来说,模拟它已经非常具有挑战性了。原因是在一个叠加态中,即使是50个量子比特也可以同时存储和处理更多的指数组合。

如果你有一个300量子位的系统,你可以存储和处理的信息比宇宙中粒子的数量还多。所谓的量子优势这种至高无上的理念就是你能建造一个足够大、足够量、足够可编程的量子系统,从而可以执行那些哪怕是最强的经典超级计算机也无法在任何合理的时间内模拟的操作而达到的优势。

GAZETTE:值此特殊时刻,我们讨论了一台53量子比特的量子计算机。 它的体积有多大? 它与超级计算机相比如何?

LUKIN:就物理尺寸而言,这是一个装满了设备的房间, 类似于橡树岭国家实验室的Summit超级计算机。从体积大小的角度来说,它们有得一比。

GAZETTE:但是它的计算能力是指数级的,是吗?

LUKIN: 这就是众人所希望的。如果你有一个50量子比特位的系统,并且运行足够长的时间来执行一个足够通用的算法,那么对于最好的经典计算机来说,要赶上它将是非常非常具有挑战性的。如果他们能够赶上,那你只需要再加上几个量子比特位,在60、70或100以上,几乎就可以很清楚地看到,在特殊问题上其碾压经典计算机的能力,实际上,我们可以预见,后期经典计算机无法赶上。

GAZETTE:作为谷歌的竞争对手之一IBM对他们的成就表示怀疑, 您如何看待双方观点的对与错?

LUKIN: 谷歌的成就确实令人印象深刻。但它指向的是一个特殊具体的计算问题,谷歌称“我们跨过了量子优势门槛”。但在我看来,实际上并不是这样的。毫无疑问,一旦量子计算机的容量(指量子比特数)变得足够大,经典计算机就无法模拟它们。显而易见的是,50个量子比特确实是一个门槛,他们建立的系统与世界上最好的系统,包括哈佛大学的系统都非常有竞争力。他们的快速推进就是一个很好的例子,说明如何检验这种所谓量子霸权(量子优势,此处过分强调了“优势”的强度)的理念。

然而,在过去的两年左右的时间里,包括我们在内的其他实验室已经开始使用大约50个量子比特位的系统。对于这种规模的系统已经做了许多实验,且已明确发现,传统的计算机已很难赶上这些实验。从这个意义上说,我认为现在正在发生的事情,谷歌量子优势并不是一个单一的事件,而更像是一个即将到来的浪潮。也许 IBM 的人发现了一种算法,可以在经典计算机上有效地模拟谷歌量子计算机所做的事情。我对此并不感到惊讶。但关键的问题很明显,我们正在进入一个,前所未有的世界,一个前所未有的领域,这意味着我们可以比传统超超级计算机,更快地完成任务。 毫无疑问,这种情况正在悄然发生。

GAZETTE:谷歌试图解决的问题是什么?

LUKIN: 谷歌试图解决的具体问题类似于用量子的方式去产生随机数。 谷歌所使用的算法在设计上相对实际应用来说并不实用。因此,在这个实际意义上,量子优势的本身对我来说,并不意味着什么。真正令人兴奋的是,该领域的一个关键目标——能在有用的东西上实现量子优势。当然,谷歌执行了这个算法并且真正学到了一些东西。目前,有两种有用的量子优势,一种是用于科学应用,而另一种则是通用应用(商业用例),而谷歌的论文介于两者之间。

哈佛大学教授问与答:解析量子计算浪潮
哈佛大学量子计划联席主任Mikhail Lukin教授。 摄影: Sophie Park

 

GAZETTE:谷歌此次的目的纯粹是为了演示吗?

LUKIN: 是的,这是一个演示实验。然而,在科学应用领域,很明显量子计算机对于模拟复杂的量子系统是非常有用的。这也是我们在哈佛大学所关注的。事实上,通过使用我们的系统,我相信我们已经进入了我们在科学应用中有用的量子优势领域。使用我们的51量子位系统,我们已经建立了最大的态叠加原理状态之一,并且我们已经发现了以前不知道的新现象,而且你不能通过使用暴力累加经典模拟来揭示这些新现象。事实上,在哈佛大学不同的实验室里,我们至少有两个系统已经或正在进入这个“量子优势”的科学应用领域。我认为这非常重要,因为这些实验已经为科学界创造了价值。

GAZETTE:那么,如您所说,如果量子优势的定义就是它比经典计算机解决问题快,或者解决经典计算机不能解决的问题,目前,您已经实现了?

LUKIN:没错。你可以争辩说,你所谈论的这些问题并不是大多数人们会关心的问题,但我对此却很敏感。另一个目标才是令人兴奋的,那就是寻找与实际相关的量子优势,我认为我们现在正处于这样一个特殊时期。这可能也是 IBM 的观点之一,我非常赞同这一点,即使是谷歌的团队也会同意,现在大家的真正目标是展示一些实用例子,能有依据的说明量子计算机可以用于科学应用或商业应用。

GAZETTE:你认为未来量子计算机会取代传统计算机吗?比如智能手机或笔记本电脑等。还是说,量子计算机在某些特定领域将非常有价值,而经典计算机将继续在他擅长的领域有价值?

LUKIN:这样的预测未来,非常困难。但就我而言,最好的猜测备选是后者。量子计算机将被用作加速器,来解决对于经典机器来说非常困难的问题。

GAZETTE:那么,当你思考这些非常困难的大问题时,你是在思考气候模型或融合研究之类的事情呢,还是您先前提到的,物理学家探索的事情: 去理解像量子力学本身这样非常复杂的东西?

LUKIN:虽然我试图回答“上述所有” 问题,但这包含了太多不同类型的问题。例如,理解复杂材料和模拟化学反应是最基本的量子力学问题,这也是为什么经典计算机很难攻克它们。理解复杂的量子系统如何远离平衡并寻找物质的新阶段,这些都是我们已经在使用量子优势解决的问题。这项工作已经激发了许多研究方向。还有其他一些问题推动了经典计算机的可行性,比如气候模型或复杂的优化,这为网络通信、金融、物流和人工智能寻找最佳方案。我们希望量子计算机最终能够加速与这些问题相关的计算。

另一个著名的问题是因数分解,它与当今的加密有关。当你对你的信用卡号码进行编码时,你目前使用的便是所谓的 RSA 加密,它是基于传统计算机很难找到大数字的因子问题而设计。对于这样的问题,量子算法可以比最著名的经典算法快几何级数。与此同时,量子计算机实际上可以用来提高通信信道的安全性,当然,这是另一个有用的量子优势的例子。

GAZETTE:您能谈谈您看到的未来挑战吗?

LUKIN:这里,需要强调很重要的两点: 第一,我们仍然不知道如何建造真正大规模的量子机器,使其可以包含成千上万的量子比特位。对于这个问题,有很多方法和途径需要认真研究,但我们目前还不知道真正大规模的量子计算机最终会是什么样子。我们已经讨论过的第二个问题是,我们仍然不知道量子计算机在哪些应用中最有用。这个领域正处于一个独特的时刻,许多基础研究仍有待完成,但一些系统已经准备好被设计和部署,尽管规模相对较小,关注的人还比较少。

GAZETTE:感谢,最后我想谈谈从事这个领域工作的社区情况和以及哈佛大学的量子计划,它开始多久了?

LUKIN:大约有一年的时间了。在哈佛大学和麻省理工学院之间,我们有一个非常特殊的研究团体,研究着这个前沿领域的各个方面。在一个极具合作性的研究社区里,大约有40个研究小组,他们横跨这两个机构和几个创业公司。这些团体中的许多人已经是各自领域的世界领导者,当他们一起工作时,可能会发生一些非常特别的事情。当然,这也是一个教育学生独特的机会,他们最终将成为这一令人兴奋的跨学科领域的前沿领导者。

实现跨学科合作,培养新一代的量子科学家和工程师,是哈佛量子计划的主要目标。我们在量子计算机方面的工作是理论家、实验研究者、工程师和计算机科学家之间真正的跨学科合作,当热这是我们的竞争优势,也是我们的“秘密武器”。

 

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