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什么是量子霸权

2019-10-22 21:31:49 作者:中国龙团队
      量子霸权是一个让人无言以对的翻译,原词是Quantum supremacy。作为Supreme的相关名词,Supremacy本身的含义并未变化,乃最高、至高之意,这也符合Quantum supremacy之上下文;只在特定语境下,Supremacy才会有“霸权”的意思;你能想象挚爱Supreme潮牌的粉丝说自己买的是“霸权”牌?
      Quantum supremacy是量子计算领域的用语。上世纪八十年代,费曼提出量子计算的概念;九十年代,科学家们发明了一批重要的量子算法,一旦实现,量子计算将拥有经典计算无法比拟的超强计算能力。美国加州理工学院物理学家 John Preskill,将这种超越所有经典计算机的计算能力起名Quantum supremacy,代表了量子计算领域科学家的野望。所有关于“量子霸权”的大新闻,都是关于此“一旦实现”之进展。简单说,Quantum supremacy即量子计算在某个问题上超越现有经典计算机的能力。数十年的研究之后,相比经典计算,量子计算的进展仍处于极早期阶段。经典计算模型早已应用于生活的所有方面,如图像处理、文字处理、工程计算、金融计算,因为经典计算模型应用于这些方面都非常直观,本身并不构成困难。相比而言,量子计算的研究还远未到追求通用计算的程度,研究的前沿仍局限于特定量子计算问题。任何一个特定问题上有所突破,研究人员就会配合媒体放出Quantum supremacy达成的大新闻。
      所以,Quantum supremacy的本质是量子计算与经典计算的一场PK,其中有3个关键点:
1. 找到一个具体的量子计算问题
2. 在一个实际的量子计算机上实现一个量子算法解决它
3. 在解决的速度上,超越经典计算机上的经典算法
      虽然Quantum supremacy的焦点在第三点,即“超越经典计算机“,但第一点”找到一个合适的问题“和第二点”实现解决它的量子算法“,本身即非常困难,更不要说超越早已按摩尔定律狂奔了数十年的经典计算机。
      据史料记载,2010 年,MIT 科学家 Scott Aaronson 提出了可用于展示Quantum supremacy的“玻色采样“问题。2017年5月,中国科学技术大学潘建伟教授及其同事陆朝阳、朱晓波等,联合浙江大学王浩华教授研究组宣布的研究结果中称:“部署和验证了三光子,四光子和五光子玻色子采样,并分别实现了4.96 kHz,151 Hz和4 Hz的采样率…通过和经典算法比较,也比人类历史上第一台电子管计算机(ENIAC)和第一台晶体管计算机(TRADIC)运行速度快10-100倍。”潘建伟团队的工作可以说达成了Quantum supremacy之第一步,即超越最早期的经典计算机;之后顺理成章的后续目标,是超越主流的桌面PC;再下一步,即最终战胜当今主流的超级计算机。
      2016 年 6 月,国防科大吴俊杰团队在天河二号超级计算机模拟玻色采样问题,最大使用了天河二号 312,000 个 CPU 内核。天河二号是 2013-2016 年间六次位居世界第一的超级计算机。 吴俊杰团队随后发表论文,推断天河二号完成 50 个光子玻色采样的最高生成率约为每组样本 100 分钟,这给“玻色采样“问题最终达成Quantum supremacy画了一条极高的标尺:50个光子的规模是潘建伟团队所作5光子采样的10倍,由于计算量随规模的指数增长,在“玻色采样“问题上,量子计算距离对顶级超算的Quantum supremacy,还有相当长的路要走。实际上,大众媒体上此类Quantum supremacy新闻的曝光频率很高,现在大家应该了解的是,凡提及运用某某超级计算机达成了如何厉害的目标,其新闻事件的本质却是:Quantum supremacy的标尺再次被抬高了。
      2019年9月底,网络爆发出高热新闻:谷歌实现了对当前顶级超算的Quantum supremacy。这次谷歌挑选的“特定问题”,是“检验一个随机量子线路的输出分布是不是符合预期”。和“玻色采样” 一样,我们不可能在此解释清楚这个问题的具体含义,


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