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酒神的狂歡:谷歌公司“量子霸權”計劃淺析

2016-12-22 李向陽(知遠戰略與防務研究所特約評論員)訪問次數:



 

    【酒神狂歡節上的青年們】威廉·阿道夫·布格羅,法國十九世紀著名浪漫主義畫家,作品追求細節和完美。這幅“酒神狂歡節上的青年們”輕漫而不輕狂,色調柔和細膩,動感十足:老一代已經功成名就、酩酊大醉,即將退出歷史舞臺(宙斯?左后方騎毛驢者)。人們的視線被舞臺中央一群年輕人健美、自由、奔放的舞姿所吸引,預示著新的世紀即將誕生……。量子信息時代是否也即將來臨呢?誰將最后奪得這一領域盛滿玉液瓊漿的“圣杯”量子計算機呢?

1 “量子霸權”從何而來?

熟悉現代科學史的人大概都知道“索爾維大會”(Solvay Conference)在量子物理發展史上所扮演的角色。正是在Solvay這位比利時著名實業家、化學家兼榮譽國務大臣的贊助下,才有了波爾與愛因斯坦在索爾維會議上華山論劍的傳奇,例如1927年第5屆索爾維大會上拍下的這張現代物理學最著名(沒有之一)的英雄譜。照片中29位物理學家有17位已經或將要獲得諾貝爾獎,而位于第二排最右邊的哥本哈根學派的“諾貝爾獎幼兒園園長”波爾似乎恨不得攝影師一喊完“cheese”就立馬沖到第一排正中間與“現代物理學教父”愛因斯坦繼續進行上帝是否扔骰子的曠世之爭。可惜1922年已經去世的索爾維先生未能一睹1927年盛會的風采。然而成功不必在我,作為世界上最前沿、最開放的世界頂級物理化學會議,索爾維大會已經作為一個科學文化傳統一直傳承下來了,這大概是對這位實業家最好的紀念。它將注定會繼續創造奇跡!



 

 

20111119日,在第25屆索爾維大會上,美國加州理工學院物理學家(喜歡追美劇的各位一定對“生活大爆炸”的謝耳朵有點印象吧?)John Preskill負責作大會總結。在他隨后發表的題為《量子計算與量子糾纏的研究前沿》(Quantum Computing and The Entanglement Frontier)的報告當中,Preskill 教授首次提出了“量子霸權”(quantum supremacy)的概念,用以描述量子計算機最大的一個特征,即經典計算機難以望其項背,而必須采用量子計算設備才能完成的計算任務。人們可能會有這樣的疑問:具有這種“量子加速”特征的算法早已存在,如Shor算法等,為何Preskill還要提出“量子霸權”這個概念呢?原因很簡單,那就是人們需要盡快拿出一臺能夠真刀實槍進行量子加速計算的設備來向世人展示,人類社會確確實實能夠研發出量子計算機,哪怕它暫時還達不到能夠運行Shor算法的要求(即要采用大規模容錯型量子計算機才能破譯現代公鑰密碼),但至少可以給人們一個定心丸:即量子計算機必將是人類未來新型計算的發展方向。從這個意義上來講,“量子霸權”概念的提出,頗像當年“圖靈測試”一樣:即使至今沒有大家公認的一個圖靈測試的突破點,但它卻極大的推動了人工智能的發展。因此量子霸權這一具有鮮明西方文化特色的概念有可能會為將來“群雄逐鹿量子中原”提供一個可以對比的參照系。人們可以預計,在隨后的量子計算擂臺,武林霸主之爭恐怕也會多次易手。

然而,逐鹿者眾多,誰將成為第一個“稱霸者”呢?

2 屢敗屢戰的谷歌公司

谷歌公司的工程師們一直在摩拳擦掌準備爭奪量子計算的“圣杯”。Hartmut Neven博士1964年出生,屬龍,來自量子力學誕生地德國。在IT界他有兩件事情為人所知,一是人臉識別專家,二是“谷歌眼鏡”的創始者之一。Neven博士十年前開始轉向量子機器學習。他目前擔任谷歌公司工程部主任兼“量子人工智能實驗室”行政負責人。2013年該實驗室干了兩件大事,一是購買了加拿大D-Wave 2X型量子退火計算設備(世界上第一臺利用量子漲落效應進行仿真計算的設備,2X是最新型號,據稱能夠制備上千個量子比特),第二件事則是從加州大學圣芭芭拉分校引進了目前炙手可熱的世界頂級量子計算機科學家John Martinis,并讓其擔任谷歌“量子人工智能實驗室”首席科學家。于是NevenMartinis雙劍合璧、配合默契,立志共同打造谷歌公司的“夢之機”(著名的《MIT技術評論》用詞)。

Neven博士于2015128日在其博客上發表了一篇文章《量子退火何時能夠取得勝利?》(When can Quantum Annealing win?),宣布了他和Martinis率領一群年輕人在量子仿真計算領域的首次戰果:該實驗室工程技術人員在D-Wave 2X量子退火仿真器上實現了一款量子加速算法,比經典的仿真計算快了一億倍!此文一出舉世震驚。然而,很快世界各國科學家的懷疑就紛至沓來,其質疑的核心在于“這是一個不公平的比賽”:該公司所發布的成果僅僅適用于非常特殊的情況,并且專門針對D-Wave的特點進行了算法設計,而且更要命的是隨后有學者指出在其他經典計算機上也能很快提升這個特殊算法的速度。谷歌的工程師們本想來一場有趣的現代版龜兔賽跑,沒想到觀眾們發現兔子不像兔子,而烏龜居然能變兔子。隨后Hartmut Neven博士不失劍客風范,爽快的認輸。一句話,初戰失敗。

八個月后,谷歌公司卷土重來,不再遮遮掩掩,干脆挑明了劍鋒直指量子霸權。這次NevenJohn Martinis擴軍備戰充實了研發團隊,成員來自NASA Ames實驗室、加州大學圣芭芭拉分校、美國能源部下屬伯克利國家實驗室等。今年84日,他們聯名在預印論文網站(http://arxiv.org)上刊登了一篇文章《短期內實現量子霸權設備的特征刻畫》(Characterizing Quantum Supremacy in Near-Term Devices)。美國一些主流科技媒體紛紛將其形容為谷歌公司的“量子霸權計劃”。對此,來自著名的瑞士聯邦蘇黎世理工學院(ETH,愛因斯坦的母校)的Matthias Troyer教授,他也是八個月前率先質疑谷歌公司首戰結果的專家之一,這次非常痛快的承認“谷歌公司這幫家伙有可能在兩到三年之內獲得成功,他們已經展示出非常堅實的步驟來達到目的。”曾任教于MIT的量子計算機領域的知名科學家Scott Aaronson在與Martinis團隊研討了這個方案之后,也同意這個基本判斷。而來自日本理化所的澳大利亞專家Simon Devitt在接受美國“新科學家雜志”(New Scientist)采訪時甚至樂觀的估計,有可能在明年年底就取得突破!

那么,谷歌公司的“量子霸權計劃”到底要做什么呢?

3谷歌公司“量子霸權計劃”探秘

與第一次沖擊量子霸權相比,谷歌公司的新方案具有以下特點:

首先,確立了這次“量子爭霸拳擊賽”的比賽規則,即“在不具備量子容錯的條件下,是否依然能夠研發出一臺量子計算硬件設備,使得其能夠運行人們公認的一個計算任務,而這一計算任務是傳統的經典計算機無法完成的。”對此,我們需要進行一番解讀。如果量子計算機已經能夠實現量子容錯功能,那么大規模通用量子計算機就已經誕生了,量子圣杯已經到手,包括Shor算法等“指數級量子加速算法”均可在這種大規模容錯型通用量子計算機上投入運行。現在提出“在不具備量子容錯的條件下”,指的其實就是大規模容錯型通用量子計算機研發“分步走”策略的第一步,盡快研發一臺“小型量子計算設備”,從實際運行層面而非理論證明層面上讓世人領略量子計算機顛覆性的計算威力,讓人們“眼見為實”。一旦這個目標實現,那么將來大規模容錯型量子計算機的威力必定更為強大。

其次,什么樣的計算任務才能符合要求,即谷歌公司準備研發中的這臺小型量子計算機能夠勝任,而經典的電子計算機(無論它有多強大)卻無法完成?上一次谷歌團隊選取的是量子蒙特卡洛算法,并在D-Wave 2X上運行量子退火模擬計算,再與傳統的退火模擬計算相比較,從而得出量子退火模擬計算的速度要快一億倍的結論,但被其他專家質疑為不具備可比性。這一次谷歌聯合團隊不再使用退火模擬這一D-Wave設備固有的特點,而是花大力氣選取了一個“更為自然的”計算任務,這個計算任務的本質是比較通用型量子計算機自身的量子電路與用經典的電子計算機模擬量子電路二者之間的差別。這樣就與D-Wave這種特殊設計的量子計算設備無關了。如果將量子計算機比喻為兔子,電子計算機比喻為烏龜,那么谷歌聯合團隊希望能夠向世人展示古希臘著名哲學家芝諾的一個“量子版龜兔賽跑悖論”:(1)龜兔賽跑的起步階段,二者的奔跑速度是差不多的,例如只有2個量子比特、4個、6個、經典的電子計算機都能夠精確的模擬量子電路;(2)而到了某一個極限點,龜再也難以與兔抗衡,量子兔將一騎絕塵。這就是霸氣,這就是霸權!

上面第一個問題貌似簡單,其實暗藏機關:憑什么說電子計算機模擬的量子電路就是真正的量子計算機的電路?谷歌聯合團隊用所謂的交叉熵(cross entropy)回答了這個問題,用一系列復雜的推導證明了這個交叉熵可以認為是高保真的量子電路,通俗的講就是(在量子比特數量不大的情況下)經典電子計算機模擬的量子電路就是真正的量子電路。這一階段量子龜兔賽跑難分伯仲。

第二個問題更有意思,量子龜兔賽跑的分水嶺在哪里?谷歌聯合團隊動用了美國能源部位于加州伯克利國家實驗室的一臺超級計算機來進行上述量子電路的實際模擬計算。這臺2014年才投入使用,并以美國著名發明家“愛迪生”(Edison)命名的超級計算機在今年11月全球最新超級計算機排行榜上盡管僅僅名列第60名,但人們需要要記住的是,第一名(我國的“太湖之光”)與“愛迪生”的計算/存儲能力都屬于同一代水平。谷歌團隊發現“愛迪生”超級計算機上模擬的量子電路隨著量子比特數的逐步增加,出現了一個趨勢,都收斂于一個所謂的“Porter- Thomas概率分布”。這個概率分布式是上個世紀五十年代美國能源部下屬兩家國家實驗室的科學家在研究核反應的時候發現的。有趣的是這個概率分布被人們當做“量子混沌效應”的典型現象。談及混沌,人們自然會想到“蝴蝶效應”或數學上經典的“三體問題”(喜愛劉慈欣的《三體》的讀者可自行腦補)。而谷歌聯合團隊的這一發現恰恰驗證了“不具備量子容錯”的小型量子計算設備必定出現的一個現象:那就是隨著量子比特數量的逐步增加,調控量子比特的時候會帶來越來越多的“量子噪聲”,而每次再增加一個量子比特(其實就是再增加一個量子糾纏對),量子蝴蝶翅膀的微小煽動,都會導致量子熱帶雨林的一場狂風暴雨。這就是典型的量子混沌效應,這正是大規模容錯型量子計算機研發過程人們正在解決的難題!而這一現象居然在用經典電子計算機模擬量子電路中得到了印證!!當然,谷歌團隊還獲得了“愛迪生”這臺超級計算機模擬量子電路的極限:42個量子比特。他們更進一步分析了使用當今超級計算機模擬量子電路的上限是48個量子比特。

盡管實驗結果趨向于48個量子比特這個極限點,但是會不會在理論上存在這樣的經典計算方法,使得電子計算機理論上能夠繼續模擬更多的量子比特呢?這種考慮不周的情況,在上次量子退火算法與經典退火算法對比的時候曾經使得他們鎩羽而歸。為此,谷歌聯合團隊使用計算復雜度理論證明了“用電子計算機更大范圍的模擬量子電路”是一個非常困難的NP“預言機”(NP oracle)問題。換言之,不存在一個理論上有效的經典算法能夠模擬更多的量子比特。

綜上,谷歌聯合團隊目前已經完成了幾項重要的鋪墊:(1)制訂了“量子霸權爭霸賽的規則”;(2)選擇了一個更自然、更一般的計算任務,可以用于對比量子計算機與電子計算機的計算能力;(3)用實驗驗證了在量子比特數量較少的情況下,經典電子計算機可以“完美的”模擬量子計算機;但隨著量子比特數量的增加,這種模擬結果趨向一個極限點;(4)從實驗驗證和理論證明兩方面都說明了當今的超級計算機模擬量子計算的最上限,最多只能模擬48個量子比特。

至此,萬事俱備只欠東風,這幫“屢敗屢戰”的逐夢人提出,如果在未來較短的時間之內,一年,兩年,哪怕是五年之內,如果人們能夠研發出一臺高保真的50個量子比特的“小型”量子計算硬件設備,那么根據上面的分析,經典的電子計算機就無法模擬這個真正的量子計算設備了。換句話說,這臺量子計算機就能夠傲視群雄成為“霸主”。

這,就是谷歌公司“量子霸權計劃”的概貌。

4谷歌量子霸權計劃留給我們的啟示

谷歌團隊希望能夠盡快向世人展示他們在量子計算機研發方面的“里程碑”,雖然這個“量子霸權計劃”是一個人生小目標,一旦成功,卻能夠真實的向世人展示量子計算機不可替代的能力。盡管該量子霸權計劃本身并不具有“計算實用性”,也不能運行那些理論上已經證明具有量子指數加速的算法,因為這還需要更多的相互糾纏的量子比特,但如同谷歌的另一款概念演示神器AlphaGo一樣,其目的是通過挑戰人類最頂級的智力游戲來展示人工智能無垠的發展前景(當然,是對是錯則是另外一個話題)。

另外一點值得我們借鑒和高度重視的是,谷歌團隊是一個跨學科的團隊,無論是在D-Wave量子退火模擬設備上第一次沖擊“量子霸權”,還是這一次的方案,都展現出這個跨學科團隊的水平非常全面:既涉及了大量量子信息領域的知識,又有不少計算復雜度的研究,還有大量的高性能計算仿真的工作,這是一個由計算機科學家、數學家、物理學家、硬件工程師和軟件編程工程師等共同組成的“多兵種聯合作戰”的特種分隊。僅僅這種編組方式,就是目前世界其他國家很少見到的。而且他們能夠在短短的幾個月之內就前赴后繼的拿出兩種設計原理完全不同、領域知識跨度極大的量子霸權實現方案,這也說明谷歌公司在量子計算“協同設計”領域的領先程度。谷歌的“量子霸權”方案也不是沒有瑕疵,例如理論證明比較零亂,邏輯論證有時候也比較跳躍,在計算復雜度分析方面還依賴一些假設,等等。但這絲毫不影響人們對這支團隊逐夢的敬佩。

最后也是最重要的,谷歌之所以愈挫愈勇,與該公司高層寬容失敗,同時又急于搶占量子計算制高點,引領未來戰略計算市場的走勢密切相關。而這種“趨利化、市場化”導向的行為與寬松靈活的研究氛圍毫無疑問將遠遠優于科研院所“論文考核指標”驅動的學術研究。而這一點有可能是世界各國量子計算機研發競賽當中最為關鍵的因素。

2017年將是三年一屆的索爾維大會再次召開的年份。人們有希望在第27屆索爾維大會上看到谷歌的量子霸權機的演示嗎?亦或是另一家公司更為神奇的展示?或者還需再等上三五年?

上個世紀五十年代,有人向愛因斯坦請教,全世界需要多少臺電子計算機才能滿足人類的需要?愛爺爺慈祥的笑笑,充滿信心的伸出五指答到:“五臺就足夠了!”現在人們正在為首臺量子計算機的誕生竭盡全力。在這個嶄新的競技場上,各路英豪已經鏖戰多時,即將分出勝負,酒神巴庫斯已經舉起了酒杯,狂歡的勇士們爭先恐后的涌向量子計算的圣杯,我們能夠參加到這個盛宴當中嗎,亦或又是等到曲終人散,再次去撿別人的殘羹剩飯?

 

[責任編輯:諾方知遠]

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