兩年前，谷歌宣布實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”，用量子計(jì)算機(jī)完成了一個(gè)經(jīng)典計(jì)算機(jī)不可能完成的任務(wù)。
現(xiàn)在，來(lái)自中科院理論物理所的研究者，用數(shù)學(xué)方法追上了谷歌的“量子霸權(quán)”。
他們用實(shí)驗(yàn)證明了：經(jīng)典計(jì)算機(jī)在使用一種新的算法后，谷歌量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)，似乎并沒(méi)有當(dāng)初宣傳的那樣大。
2019 年 10 月 23 日，谷歌發(fā)表 Nature 封面文章：53 個(gè)量子比特的處理器 Sycamore 在 200 秒內(nèi)，完成了超級(jí)計(jì)算機(jī)需要 1 萬(wàn)年才能算完的任務(wù)。
▲ 谷歌 Sycamore 量子處理器
2 年后，中科院團(tuán)隊(duì)在 512 個(gè)英偉達(dá) V100 組成的計(jì)算集群上，在 15 小時(shí)內(nèi)完成了同樣任務(wù)。
其實(shí)谷歌當(dāng)年提出“量子霸權(quán)”概念時(shí)，就遭到了業(yè)界質(zhì)疑。
IBM 首先指出，谷歌所說(shuō)的 1 萬(wàn)年只是特定算法，實(shí)際上只要算法優(yōu)化得當(dāng)，全球頂級(jí)超算 Summit 大約只需 2.5 天即可計(jì)算完成。
也就是說(shuō)，谷歌的量子計(jì)算機(jī)雖然更快，但并不是不可逾越的鴻溝。
現(xiàn)在，IBM 的質(zhì)疑得到了中國(guó)科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。
中科院團(tuán)隊(duì)估算，如果把這套程序移植到算力為 ExaFLOPS 的超算上，可能只需幾十秒，那就比量子計(jì)算機(jī)還快了。
此外，他們的方法得到的計(jì)算結(jié)果比 Sycamore 準(zhǔn)確性“高得多”。
用該方法生成的 100 萬(wàn)個(gè)不相關(guān)樣本的保真度為 0.0037，而谷歌量子計(jì)算機(jī)的保真度僅為 0.002。
優(yōu)化量子模擬算法
當(dāng)初，谷歌 Sycamore 執(zhí)行的計(jì)算任務(wù)是，描述量子隨機(jī)數(shù)生成器的分布。通過(guò)一系列隨機(jī)數(shù)在 53 個(gè)量子比特的電路中演化，得出隨機(jī)數(shù)的概率分布。
從原理上來(lái)說(shuō)，如果用算法來(lái)模擬 Sycamore 中的量子物理學(xué)，那么經(jīng)典計(jì)算機(jī)也能獲得與量子計(jì)算機(jī)相同的結(jié)果，但是所需的計(jì)算資源太大。谷歌預(yù)測(cè)全球最強(qiáng)超算也需要 1 萬(wàn)年。
但中科院團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，谷歌估計(jì)的計(jì)算時(shí)間依賴(lài)于特定的經(jīng)典算法，而不是適用于所有可能算法的理論極限”。
因此可能存在一種經(jīng)典算法追上乃至打破谷歌“量子霸權(quán)”。
他們沒(méi)有直接完全模擬量子過(guò)程，而是使用了一種簡(jiǎn)化算法，可以達(dá)到與 Sycamore 相同的隨機(jī)性，并具有相同的物理模式。
他們將 Sycamore 量子比特的相互作用描述為三維張量網(wǎng)絡(luò)，用張量來(lái)表示量子比特屬性之間的關(guān)系。
上圖中，最左側(cè)一層表示 53 個(gè)量子比特的初始狀態(tài)，最右側(cè)一層表示終止?fàn)顟B(tài)。新算法通過(guò)切斷網(wǎng)絡(luò)的一些連接來(lái)簡(jiǎn)化關(guān)系，從圖像上看就像是在三維網(wǎng)絡(luò)上“鉆孔”。
至于鉆孔的位置，則是由 Sycamore 芯片本身的物理結(jié)構(gòu)決定的。
這種收縮張量網(wǎng)絡(luò)的方法讓模擬量子芯片成為可能，可以將 Sycamore 分拆為數(shù)個(gè)較小的子網(wǎng)絡(luò)。
論文的最后，團(tuán)隊(duì)表示：
如果我們對(duì)量子霸權(quán)電路的模擬，可以在現(xiàn)代超級(jí)計(jì)算機(jī)中高效地實(shí)現(xiàn)，原則上，整體模擬時(shí)間可以減少到幾十秒，比谷歌的硬件實(shí)驗(yàn)更快。
該團(tuán)隊(duì)在接受《南華早報(bào)》采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)：
據(jù)我們所知，這是第一次在實(shí)踐中，用經(jīng)典方法解決了保真度大于谷歌 Sycamore 電路的采樣問(wèn)題。
算法已開(kāi)源
早在今年 3 月，他們就在 60 個(gè) GPU 上進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，耗時(shí)約 5 天。
經(jīng)過(guò)半年多的優(yōu)化，最終他們?cè)?512 個(gè)英偉達(dá) V100 組成的計(jì)算集群上，達(dá)成了 15 小時(shí)的成就。
而且他們并沒(méi)有對(duì)運(yùn)算過(guò)程做進(jìn)一步優(yōu)化，張量收縮過(guò)程使用的仍是現(xiàn)成 Python 庫(kù)，若使用其他軟件還可能更快。
目前，這個(gè)模擬算法已經(jīng)在 GitHub 開(kāi)源，如果你有足夠計(jì)算資源運(yùn)行該程序 —— 一臺(tái)顯存超過(guò) 32GB 的計(jì)算機(jī)。
他們還提供了一個(gè) Demo 程序，用于計(jì)算該算法一個(gè)子任務(wù)的總運(yùn)行時(shí)間。
量子計(jì)算機(jī)也在發(fā)展中
不過(guò)需要指出的是，量子計(jì)算機(jī)也在不斷發(fā)展中。
谷歌量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人 Hartmut Neven 曾表示，即使其他研究人員減少了進(jìn)行經(jīng)典模擬所需的時(shí)間，量子硬件也在不斷改進(jìn)。
比如，這個(gè)月 IBM 就實(shí)現(xiàn)了而 127 量子比特的計(jì)算機(jī)，是谷歌 Sycamore 規(guī)模的 2 倍多，再想用經(jīng)典算法超越就很難了。
領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的張潘教授也承認(rèn)，Sycamore 在處理量子計(jì)算方面仍然“快得多”，而經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)在擴(kuò)展和處理更復(fù)雜任務(wù)的能力方面受到限制。
作者簡(jiǎn)介
這篇論文的第一作者是中科院理論物理所研究生 Pan Feng，本科畢業(yè)于南京航空航天大學(xué)，目前已經(jīng)在 PRL 等期刊上發(fā)表多篇論文。
本文第二作者是北大元培學(xué)院 Chen Keyang。
而通訊作者是 Pan Feng 導(dǎo)師，中科院理論物理研究所教授張潘，他的研究領(lǐng)域是統(tǒng)計(jì)物理學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)。
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