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酒神的狂欢:谷歌公司“量子霸权”计划浅析

2016-12-22 李向阳(知远战略与防务研究所特约评论员)访问次数:



 

    【酒神狂欢节上的青年们】威廉·阿道夫·布格罗,法国十九世纪著名浪漫主义画家,作品追求细节和完美。这幅“酒神狂欢节上的青年们”轻漫而不轻狂,色调柔和细腻,动感十足:老一代已经功成名就、酩酊大醉,即将退出历史舞台(宙斯?左后方骑毛驴者)。人们的视线被舞台中央一群年轻人健美、自由、奔放的舞姿所吸引,预示着新的世纪即将诞生……。量子信息时代是否也即将来临呢?谁将最后夺得这一领域盛满玉液琼浆的“圣杯”量子计算机呢?

1 “量子霸权”从何而来?

熟悉现代科学史的人大概都知道“索尔维大会”(Solvay Conference)在量子物理发展史上所扮演的角色。正是在Solvay这位比利时著名实业家、化学家兼荣誉国务大臣的赞助下,才有了波尔与爱因斯坦在索尔维会议上华山论剑的传奇,例如1927年第5届索尔维大会上拍下的这张现代物理学最著名(没有之一)的英雄谱。照片中29位物理学家有17位已经或将要获得诺贝尔奖,而位于第二排最右边的哥本哈根学派的“诺贝尔奖幼儿园园长”波尔似乎恨不得摄影师一喊完“cheese”就立马冲到第一排正中间与“现代物理学教父”爱因斯坦继续进行上帝是否扔骰子的旷世之争。可惜1922年已经去世的索尔维先生未能一睹1927年盛会的风采。然而成功不必在我,作为世界上最前沿、最开放的世界顶级物理化学会议,索尔维大会已经作为一个科学文化传统一直传承下来了,这大概是对这位实业家最好的纪念。它将注定会继续创造奇迹!



 

 

20111119日,在第25届索尔维大会上,美国加州理工学院物理学家(喜欢追美剧的各位一定对“生活大爆炸”的谢耳朵有点印象吧?)John Preskill负责作大会总结。在他随后发表的题为《量子计算与量子纠缠的研究前沿》(Quantum Computing and The Entanglement Frontier)的报告当中,Preskill 教授首次提出了“量子霸权”(quantum supremacy)的概念,用以描述量子计算机最大的一个特征,即经典计算机难以望其项背,而必须采用量子计算设备才能完成的计算任务。人们可能会有这样的疑问:具有这种“量子加速”特征的算法早已存在,如Shor算法等,为何Preskill还要提出“量子霸权”这个概念呢?原因很简单,那就是人们需要尽快拿出一台能够真刀实枪进行量子加速计算的设备来向世人展示,人类社会确确实实能够研发出量子计算机,哪怕它暂时还达不到能够运行Shor算法的要求(即要采用大规模容错型量子计算机才能破译现代公钥密码),但至少可以给人们一个定心丸:即量子计算机必将是人类未来新型计算的发展方向。从这个意义上来讲,“量子霸权”概念的提出,颇像当年“图灵测试”一样:即使至今没有大家公认的一个图灵测试的突破点,但它却极大的推动了人工智能的发展。因此量子霸权这一具有鲜明西方文化特色的概念有可能会为将来“群雄逐鹿量子中原”提供一个可以对比的参照系。人们可以预计,在随后的量子计算擂台,武林霸主之争恐怕也会多次易手。

然而,逐鹿者众多,谁将成为第一个“称霸者”呢?

2 屡败屡战的谷歌公司

谷歌公司的工程师们一直在摩拳擦掌准备争夺量子计算的“圣杯”。Hartmut Neven博士1964年出生,属龙,来自量子力学诞生地德国。在IT界他有两件事情为人所知,一是人脸识别专家,二是“谷歌眼镜”的创始者之一。Neven博士十年前开始转向量子机器学习。他目前担任谷歌公司工程部主任兼“量子人工智能实验室”行政负责人。2013年该实验室干了两件大事,一是购买了加拿大D-Wave 2X型量子退火计算设备(世界上第一台利用量子涨落效应进行仿真计算的设备,2X是最新型号,据称能够制备上千个量子比特),第二件事则是从加州大学圣芭芭拉分校引进了目前炙手可热的世界顶级量子计算机科学家John Martinis,并让其担任谷歌“量子人工智能实验室”首席科学家。于是NevenMartinis双剑合璧、配合默契,立志共同打造谷歌公司的“梦之机”(著名的《MIT技术评论》用词)。

Neven博士于2015128日在其博客上发表了一篇文章《量子退火何时能够取得胜利?》(When can Quantum Annealing win?),宣布了他和Martinis率领一群年轻人在量子仿真计算领域的首次战果:该实验室工程技术人员在D-Wave 2X量子退火仿真器上实现了一款量子加速算法,比经典的仿真计算快了一亿倍!此文一出举世震惊。然而,很快世界各国科学家的怀疑就纷至沓来,其质疑的核心在于“这是一个不公平的比赛”:该公司所发布的成果仅仅适用于非常特殊的情况,并且专门针对D-Wave的特点进行了算法设计,而且更要命的是随后有学者指出在其他经典计算机上也能很快提升这个特殊算法的速度。谷歌的工程师们本想来一场有趣的现代版龟兔赛跑,没想到观众们发现兔子不像兔子,而乌龟居然能变兔子。随后Hartmut Neven博士不失剑客风范,爽快的认输。一句话,初战失败。

八个月后,谷歌公司卷土重来,不再遮遮掩掩,干脆挑明了剑锋直指量子霸权。这次NevenJohn Martinis扩军备战充实了研发团队,成员来自NASA Ames实验室、加州大学圣芭芭拉分校、美国能源部下属伯克利国家实验室等。今年84日,他们联名在预印论文网站(http://arxiv.org)上刊登了一篇文章《短期内实现量子霸权设备的特征刻画》(Characterizing Quantum Supremacy in Near-Term Devices)。美国一些主流科技媒体纷纷将其形容为谷歌公司的“量子霸权计划”。对此,来自著名的瑞士联邦苏黎世理工学院(ETH,爱因斯坦的母校)的Matthias Troyer教授,他也是八个月前率先质疑谷歌公司首战结果的专家之一,这次非常痛快的承认“谷歌公司这帮家伙有可能在两到三年之内获得成功,他们已经展示出非常坚实的步骤来达到目的。”曾任教于MIT的量子计算机领域的知名科学家Scott Aaronson在与Martinis团队研讨了这个方案之后,也同意这个基本判断。而来自日本理化所的澳大利亚专家Simon Devitt在接受美国“新科学家杂志”(New Scientist)采访时甚至乐观的估计,有可能在明年年底就取得突破!

那么,谷歌公司的“量子霸权计划”到底要做什么呢?

3谷歌公司“量子霸权计划”探秘

与第一次冲击量子霸权相比,谷歌公司的新方案具有以下特点:

首先,确立了这次“量子争霸拳击赛”的比赛规则,即“在不具备量子容错的条件下,是否依然能够研发出一台量子计算硬件设备,使得其能够运行人们公认的一个计算任务,而这一计算任务是传统的经典计算机无法完成的。”对此,我们需要进行一番解读。如果量子计算机已经能够实现量子容错功能,那么大规模通用量子计算机就已经诞生了,量子圣杯已经到手,包括Shor算法等“指数级量子加速算法”均可在这种大规模容错型通用量子计算机上投入运行。现在提出“在不具备量子容错的条件下”,指的其实就是大规模容错型通用量子计算机研发“分步走”策略的第一步,尽快研发一台“小型量子计算设备”,从实际运行层面而非理论证明层面上让世人领略量子计算机颠覆性的计算威力,让人们“眼见为实”。一旦这个目标实现,那么将来大规模容错型量子计算机的威力必定更为强大。

其次,什么样的计算任务才能符合要求,即谷歌公司准备研发中的这台小型量子计算机能够胜任,而经典的电子计算机(无论它有多强大)却无法完成?上一次谷歌团队选取的是量子蒙特卡洛算法,并在D-Wave 2X上运行量子退火模拟计算,再与传统的退火模拟计算相比较,从而得出量子退火模拟计算的速度要快一亿倍的结论,但被其他专家质疑为不具备可比性。这一次谷歌联合团队不再使用退火模拟这一D-Wave设备固有的特点,而是花大力气选取了一个“更为自然的”计算任务,这个计算任务的本质是比较通用型量子计算机自身的量子电路与用经典的电子计算机模拟量子电路二者之间的差别。这样就与D-Wave这种特殊设计的量子计算设备无关了。如果将量子计算机比喻为兔子,电子计算机比喻为乌龟,那么谷歌联合团队希望能够向世人展示古希腊著名哲学家芝诺的一个“量子版龟兔赛跑悖论”:(1)龟兔赛跑的起步阶段,二者的奔跑速度是差不多的,例如只有2个量子比特、4个、6个、经典的电子计算机都能够精确的模拟量子电路;(2)而到了某一个极限点,龟再也难以与兔抗衡,量子兔将一骑绝尘。这就是霸气,这就是霸权!

上面第一个问题貌似简单,其实暗藏机关:凭什么说电子计算机模拟的量子电路就是真正的量子计算机的电路?谷歌联合团队用所谓的交叉熵(cross entropy)回答了这个问题,用一系列复杂的推导证明了这个交叉熵可以认为是高保真的量子电路,通俗的讲就是(在量子比特数量不大的情况下)经典电子计算机模拟的量子电路就是真正的量子电路。这一阶段量子龟兔赛跑难分伯仲。

第二个问题更有意思,量子龟兔赛跑的分水岭在哪里?谷歌联合团队动用了美国能源部位于加州伯克利国家实验室的一台超级计算机来进行上述量子电路的实际模拟计算。这台2014年才投入使用,并以美国著名发明家“爱迪生”(Edison)命名的超级计算机在今年11月全球最新超级计算机排行榜上尽管仅仅名列第60名,但人们需要要记住的是,第一名(我国的“太湖之光”)与“爱迪生”的计算/存储能力都属于同一代水平。谷歌团队发现“爱迪生”超级计算机上模拟的量子电路随着量子比特数的逐步增加,出现了一个趋势,都收敛于一个所谓的“Porter- Thomas概率分布”。这个概率分布式是上个世纪五十年代美国能源部下属两家国家实验室的科学家在研究核反应的时候发现的。有趣的是这个概率分布被人们当做“量子混沌效应”的典型现象。谈及混沌,人们自然会想到“蝴蝶效应”或数学上经典的“三体问题”(喜爱刘慈欣的《三体》的读者可自行脑补)。而谷歌联合团队的这一发现恰恰验证了“不具备量子容错”的小型量子计算设备必定出现的一个现象:那就是随着量子比特数量的逐步增加,调控量子比特的时候会带来越来越多的“量子噪声”,而每次再增加一个量子比特(其实就是再增加一个量子纠缠对),量子蝴蝶翅膀的微小煽动,都会导致量子热带雨林的一场狂风暴雨。这就是典型的量子混沌效应,这正是大规模容错型量子计算机研发过程人们正在解决的难题!而这一现象居然在用经典电子计算机模拟量子电路中得到了印证!!当然,谷歌团队还获得了“爱迪生”这台超级计算机模拟量子电路的极限:42个量子比特。他们更进一步分析了使用当今超级计算机模拟量子电路的上限是48个量子比特。

尽管实验结果趋向于48个量子比特这个极限点,但是会不会在理论上存在这样的经典计算方法,使得电子计算机理论上能够继续模拟更多的量子比特呢?这种考虑不周的情况,在上次量子退火算法与经典退火算法对比的时候曾经使得他们铩羽而归。为此,谷歌联合团队使用计算复杂度理论证明了“用电子计算机更大范围的模拟量子电路”是一个非常困难的NP“预言机”(NP oracle)问题。换言之,不存在一个理论上有效的经典算法能够模拟更多的量子比特。

综上,谷歌联合团队目前已经完成了几项重要的铺垫:(1)制订了“量子霸权争霸赛的规则”;(2)选择了一个更自然、更一般的计算任务,可以用于对比量子计算机与电子计算机的计算能力;(3)用实验验证了在量子比特数量较少的情况下,经典电子计算机可以“完美的”模拟量子计算机;但随着量子比特数量的增加,这种模拟结果趋向一个极限点;(4)从实验验证和理论证明两方面都说明了当今的超级计算机模拟量子计算的最上限,最多只能模拟48个量子比特。

至此,万事俱备只欠东风,这帮“屡败屡战”的逐梦人提出,如果在未来较短的时间之内,一年,两年,哪怕是五年之内,如果人们能够研发出一台高保真的50个量子比特的“小型”量子计算硬件设备,那么根据上面的分析,经典的电子计算机就无法模拟这个真正的量子计算设备了。换句话说,这台量子计算机就能够傲视群雄成为“霸主”。

这,就是谷歌公司“量子霸权计划”的概貌。

4谷歌量子霸权计划留给我们的启示

谷歌团队希望能够尽快向世人展示他们在量子计算机研发方面的“里程碑”,虽然这个“量子霸权计划”是一个人生小目标,一旦成功,却能够真实的向世人展示量子计算机不可替代的能力。尽管该量子霸权计划本身并不具有“计算实用性”,也不能运行那些理论上已经证明具有量子指数加速的算法,因为这还需要更多的相互纠缠的量子比特,但如同谷歌的另一款概念演示神器AlphaGo一样,其目的是通过挑战人类最顶级的智力游戏来展示人工智能无垠的发展前景(当然,是对是错则是另外一个话题)。

另外一点值得我们借鉴和高度重视的是,谷歌团队是一个跨学科的团队,无论是在D-Wave量子退火模拟设备上第一次冲击“量子霸权”,还是这一次的方案,都展现出这个跨学科团队的水平非常全面:既涉及了大量量子信息领域的知识,又有不少计算复杂度的研究,还有大量的高性能计算仿真的工作,这是一个由计算机科学家、数学家、物理学家、硬件工程师和软件编程工程师等共同组成的“多兵种联合作战”的特种分队。仅仅这种编组方式,就是目前世界其他国家很少见到的。而且他们能够在短短的几个月之内就前赴后继的拿出两种设计原理完全不同、领域知识跨度极大的量子霸权实现方案,这也说明谷歌公司在量子计算“协同设计”领域的领先程度。谷歌的“量子霸权”方案也不是没有瑕疵,例如理论证明比较零乱,逻辑论证有时候也比较跳跃,在计算复杂度分析方面还依赖一些假设,等等。但这丝毫不影响人们对这支团队逐梦的敬佩。

最后也是最重要的,谷歌之所以愈挫愈勇,与该公司高层宽容失败,同时又急于抢占量子计算制高点,引领未来战略计算市场的走势密切相关。而这种“趋利化、市场化”导向的行为与宽松灵活的研究氛围毫无疑问将远远优于科研院所“论文考核指标”驱动的学术研究。而这一点有可能是世界各国量子计算机研发竞赛当中最为关键的因素。

2017年将是三年一届的索尔维大会再次召开的年份。人们有希望在第27届索尔维大会上看到谷歌的量子霸权机的演示吗?亦或是另一家公司更为神奇的展示?或者还需再等上三五年?

上个世纪五十年代,有人向爱因斯坦请教,全世界需要多少台电子计算机才能满足人类的需要?爱爷爷慈祥的笑笑,充满信心的伸出五指答到:“五台就足够了!”现在人们正在为首台量子计算机的诞生竭尽全力。在这个崭新的竞技场上,各路英豪已经鏖战多时,即将分出胜负,酒神巴库斯已经举起了酒杯,狂欢的勇士们争先恐后的涌向量子计算的圣杯,我们能够参加到这个盛宴当中吗,亦或又是等到曲终人散,再次去捡别人的残羹剩饭?

 

[责任编辑:诺方知远]

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