Google协NASA实现量子霸权

来源：NASA爱好者

版权：NASA

Google与NASA和橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）合作，证明了能够在几秒钟内计算出最大、最先进的超级计算机都需要几千年的计算量，从而实现了称为“量子霸权”（quantum supremacy）的里程碑。

“量子计算（Quantum computing）仍处于起步阶段，但这一革命性成就使我们向前迈进了一步，”NASA艾姆斯研究中心（位于加利福尼亚州硅谷）的中心主任Eugene Tu说道，“数十年来，我们到达月球、火星、以及更远的地方，这些任务都受到了这种创新的推动。”

量子计算是关于如何利用量子力学的特性来解决某些类型的问题的研究，其速度远远超过了传统计算机。NASA未来可能可以使用这些技术来支持太空任务：比如，量子优化（quantum optimization）可以使任务安排更加高效，而量子模拟（quantum simulation）则可以为现代航天器设计轻巧耐用的材料。这个里程碑是迈向未来的第一步。

10月23日发表在《自然》（Nature）上的论文描述了由Google Sycamore量子处理器运行的实验。量子计算机上进行的计算称为“量子电路”（quantum circuits），这些计算机科学抽象像程序一样工作，为量子处理器指定一系列操作。论文的共同作者、艾姆斯的量子人工智能实验室负责人Eleanor Rieffel说：“实现量子霸权意味着我们能够更快地做一件事，而不是每件事。尽管这一件事并不是非常有用，但它所做的一切却是开创性的。”

测试本身涉及在量子处理器以及传统的超级计算机上运行随机量子电路。没有量子处理器，很难从随机量子电路中获得结果。而且理论表明，即使在可想象的最大的超级计算机上，超过一定大小的任务也可能无法实现：你所需要的数据单位比宇宙中的原子还要多，而这几乎不可能完成的任务是量子霸权的完美测试。

量子处理器和超级计算机都被安排了越来越复杂、随机的电路来进行计算，直到超级计算机无法处理。为了找到这个极限，艾姆斯的研究人员使用NASA的超级计算设备来提升模拟这些随机量子电路的技术。直到某个时刻，即使有NASA量子计算和超级计算专家的所有技巧，这种模拟的“计算机中的计算机”也无法处理分配给它的随机电路，这就成了Google量子计算机要完成的任务。

NASA强大的模块化超级计算机Electra也用于与Google的合作中。这是一台千兆级（petascale）超级计算机，每年可节省大量的水和电力。

Credits: NASA Ames

Google的量子计算机能够从这些随机电路获得结果。但是，谁能知道这个输出是否正确？是否真正实现了量子霸权？用传统的超级计算机来检查数学结果是不可能的，这个里程碑的全部意义是量子处理器完成了其他机器无法完成的工作。

为了确保我们实实在在实现了这一里程碑，NASA和Google求助了田纳西州的橡树岭国家实验室，世界上功能最强大的超级计算机Summit的所在地。在那里，他们测试并证实，量子计算机的结果与Summit的结果相匹配，一直达到量子霸权极限。

“自2013年以来，我们与Google的合作致力于进一步揭开量子世界中计算的神秘性，”埃姆斯探索技术局局长、该论文的共同Rupak Biswas说，“今天的量子霸权成就是个令人激动的里程碑，埃姆斯对参与其中深感自豪。”

揭开量子世界

“量子”（quantum）是物理事物与其他事物相互作用所需的最小量，通常是指能量或物质的最小单位。量子世界是大自然奇特而美丽的一部分，只是我们并看不见。即使你缩到比蚂蚁还小的多的亚原子（subatomic）尺度，在量子尺度上观察事物也会改变其行为。尽管“观测”这个行为可能难以捉摸，我们也不理解为什么，但是量子力学运作背后的数学得到了很好的理解和一致。

由于这种一致性，计算机科学家、物理学家、和工程师可以创建旨在利用这些独特属性的计算机。一种称为量子叠加（quantum superposition）的方法允许单个量子位（qubit，量子计算机中的数据单位）同时以各种数量存在。量子纠缠（quantum entanglement）是另一个特性，无论距离，它将两个粒子紧密地联系在一起，从而提供了在经典力学世界中无法找到的相关性。量子计算机可以通过这些关联以传统计算机无法实现的方式存储、传输、以及计算信息。

达到量子霸权，我们就可以更快、更全面地进行实验并开发量子处理技术的能力，这在很大程度上是由于Google在硬件中对量子操作前所未有的控制程度。

量子霸权的成就意味着，现在存在这种处理能力和控制机制，科学家可以放心运行代码并做超出超级计算机工作范围的事情。现在可以以前所未有的方式进行量子计算的实验。

Rieffel说，“当我1996年刚步入这个领域时，我都还不确定到这个里程碑时我是否还活着。现在，我们可以尝试以前无法运行的量子算法。进入这个时代，我们可以探索量子计算中存在的未知数并见证我们发现的东西，真是令人兴奋。”

参考

[1]https://www.nasa.gov/feature/ames/quantum-supremacy

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5