英國(guó)《自然》雜志23日發(fā)表的一篇論文中，谷歌公司演示了量子霸權(quán)——一臺(tái)可編程量子計(jì)算機(jī)超越了最快的經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)。該量子系統(tǒng)只用了約200秒就完成了經(jīng)典計(jì)算機(jī)大約需要1萬(wàn)年才能完成的任務(wù)。評(píng)論文章稱這一成就為量子計(jì)算的重大里程碑事件。
量子計(jì)算的一個(gè)目標(biāo)是以指數(shù)級(jí)倍數(shù)超過(guò)傳統(tǒng)經(jīng)典計(jì)算機(jī)的速度執(zhí)行特定計(jì)算任務(wù)。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要克服許多挑戰(zhàn)，比如在產(chǎn)生較大計(jì)算空間的同時(shí)保證計(jì)算錯(cuò)誤率低，以及設(shè)計(jì)一種經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以處理，但量子計(jì)算機(jī)可以輕松完成的基準(zhǔn)測(cè)試。
美國(guó)谷歌AI量子和加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校的研究團(tuán)隊(duì)，此次描述了實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)所取得的技術(shù)進(jìn)展。他們研制了一臺(tái)由54個(gè)量子比特組成的處理器，該處理器利用量子疊加和量子糾纏實(shí)現(xiàn)的計(jì)算空間與經(jīng)典比特所能達(dá)到的相比，實(shí)現(xiàn)了指數(shù)級(jí)的增加。由于有1個(gè)量子比特?zé)o法有效工作，處理器實(shí)際只用了53個(gè)量子比特。
研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的糾錯(cuò)流程可以保證較高的運(yùn)算保真度（高達(dá)99.99%）。為了測(cè)試該系統(tǒng)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一項(xiàng)對(duì)量子電路產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)字進(jìn)行采樣的任務(wù)。對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，這一任務(wù)的難度會(huì)隨量子電路中量子比特?cái)?shù)的增加而增加。最后，量子處理器在200秒左右的時(shí)間內(nèi)從量子電路中采集了100萬(wàn)個(gè)樣本，而一臺(tái)尖端超級(jí)計(jì)算機(jī)大約需要1萬(wàn)年的時(shí)間才能完成這一任務(wù)。
在同時(shí)發(fā)表的“新聞與觀點(diǎn)”文章中，科學(xué)家評(píng)論稱，“對(duì)世界領(lǐng)先的超級(jí)計(jì)算機(jī)……實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)無(wú)疑是一項(xiàng)了不起的成就”。但文章也指出，在量子計(jì)算機(jī)投入實(shí)際應(yīng)用前還需開展更多工作，比如實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的容錯(cuò)運(yùn)算。
據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，在日前發(fā)表在《自然》雜志上的一篇論文中，谷歌研究人員聲稱首次獲得了“量子優(yōu)勢(shì)”（也被稱為“量子霸權(quán)”）。他們的53位量子計(jì)算機(jī)（名為Sycamore）花了200秒來(lái)完成一項(xiàng)計(jì)算任務(wù)，根據(jù)谷歌的說(shuō)法，這項(xiàng)計(jì)算任務(wù)將花費(fèi)世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)10000年的時(shí)間。(這篇論文的部分內(nèi)容上個(gè)月在網(wǎng)上被披露和報(bào)道)
這一次的計(jì)算幾乎沒有實(shí)際用途——它吐出一串隨機(jī)數(shù)。選擇它僅僅是為了表明Sycamore確實(shí)可以像量子計(jì)算機(jī)那樣工作。有實(shí)際用途的量子計(jì)算機(jī)問(wèn)世還有很多年的時(shí)間，技術(shù)障礙是巨大的，即使如此，它們也可能只在某些任務(wù)上擊敗傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。
但是，谷歌這一研究仍然是一個(gè)重要的里程碑——谷歌首席執(zhí)行官皮查伊將其比作萊特兄弟12秒鐘的首次飛行。
對(duì)于一個(gè)可能需要10年或更長(zhǎng)時(shí)間才能得到回報(bào)的項(xiàng)目，外界想知道為什么谷歌已經(jīng)花了13年時(shí)間。
以下是一家國(guó)外媒體的采訪實(shí)錄。
媒體:你有一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)來(lái)完成一項(xiàng)非常狹窄、特殊的任務(wù)。要想更廣泛地展示量子優(yōu)勢(shì)，需要什么？
皮查伊:你需要建造一臺(tái)有更多量子位的容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)，這樣你就可以在更廣泛的范圍應(yīng)用它，更長(zhǎng)時(shí)間地執(zhí)行計(jì)算任務(wù)，從而能夠運(yùn)行更復(fù)雜的算法。但是你知道，如果你希望在任何領(lǐng)域有所突破，你就需要從某個(gè)地方開始。借用一個(gè)比喻——萊特兄弟。第一架飛機(jī)只飛行了12秒，沒有實(shí)際應(yīng)用，但是它顯示了飛機(jī)能夠飛行的可能性。
媒體：許多公司都有量子計(jì)算機(jī)。例如，IBM在網(wǎng)上有一大堆這樣的設(shè)施，人們可以在云中使用。為什么他們的機(jī)器不能像谷歌那樣做呢？
皮查伊：我要評(píng)論的主要事情是為什么谷歌這個(gè)團(tuán)隊(duì)能夠做到這一點(diǎn)。這需要大量的系統(tǒng)工程——在任務(wù)的多個(gè)方面協(xié)同工作。
從系統(tǒng)工程的角度來(lái)看，這是非常復(fù)雜的。你實(shí)際上是從一個(gè)晶片開始，有一個(gè)團(tuán)隊(duì)實(shí)際上是蝕刻?hào)艠O，制作柵極，然后一路加工疊層，以便能夠使用人工智能來(lái)模擬和理解最佳結(jié)果。
媒體：谷歌研究論文的最后一句說(shuō)，“我們離有價(jià)值的近期應(yīng)用只差一個(gè)創(chuàng)造性的算法。”這種應(yīng)用指的是什么呢？
皮查伊：量子真正令人興奮的是，宇宙從根本上以量子方式工作，所以你將能夠更好地理解自然。現(xiàn)在還為時(shí)尚早，但量子力學(xué)的亮點(diǎn)是模擬分子和分子過(guò)程的能力，我認(rèn)為這是它最強(qiáng)的地方。藥物發(fā)明就是一個(gè)很好的例子。或者肥料生產(chǎn)——哈伯工藝流程產(chǎn)生的碳排放量占世界的2%，在大自然中，本質(zhì)上，同樣的過(guò)程完成得更有效率。
媒體：那么，你認(rèn)為像改進(jìn)哈伯工藝流程這樣的應(yīng)用可能有多遠(yuǎn)？
皮查伊：我想十年后。我們還需要幾年的時(shí)間來(lái)擴(kuò)展和構(gòu)建性能足夠好的量子計(jì)算機(jī)。這種技術(shù)的其他潛在應(yīng)用可能包括設(shè)計(jì)更好的電池。不管怎樣，你在處理化學(xué)問(wèn)題。更好地理解這種技術(shù)也是我們投資的方向。
媒體：一些人說(shuō)量子計(jì)算機(jī)可能就像核聚變:就在未來(lái)50年可能有所突破。這似乎是一個(gè)深?yuàn)W的研究項(xiàng)目。為什么谷歌首席執(zhí)行官對(duì)此如此興奮？
皮查伊：要不是我們多年來(lái)在計(jì)算領(lǐng)域看到的發(fā)展，谷歌今天不會(huì)在這里。摩爾定律使我們能夠擴(kuò)大計(jì)算能力，為大量產(chǎn)品的數(shù)十億用戶提供服務(wù)。
所以在本質(zhì)上，我們認(rèn)為自己是一家深度計(jì)算機(jī)科學(xué)公司。摩爾定律在它的周期結(jié)束時(shí)，量子計(jì)算是我們將繼續(xù)在計(jì)算領(lǐng)域取得進(jìn)展的眾多因素之一。
我們對(duì)這種技術(shù)興奮的另一個(gè)原因是——拿一個(gè)簡(jiǎn)單的分子來(lái)說(shuō)，咖啡因（有24個(gè)原子）有不計(jì)其數(shù)的原子狀態(tài)。我們知道，我們甚至不能用經(jīng)典計(jì)算來(lái)理解分子的基本結(jié)構(gòu)。所以當(dāng)我看著氣候變化，當(dāng)我看著藥物，這就是為什么我相信有一天量子計(jì)算會(huì)推動(dòng)那些領(lǐng)域的進(jìn)步。
媒體：2012年，當(dāng)你看到一個(gè)人工智能獨(dú)自學(xué)習(xí)識(shí)別貓的圖片時(shí)，你在某個(gè)媒體上描述你有一種“預(yù)感”，“這東西會(huì)放大，也許會(huì)揭示宇宙的運(yùn)作方式，這將是我們作為人類所做的最重要的事情。”量子計(jì)算感覺同樣重要嗎？
皮查伊：沒錯(cuò)。能夠在實(shí)驗(yàn)室里實(shí)際操作量子位并將其置于疊加狀態(tài)對(duì)我來(lái)說(shuō)同樣是一個(gè)重大的時(shí)刻，因?yàn)樵谖抑暗挠^點(diǎn)中，這就是自然的工作方式。它開辟了一個(gè)直到今天才存在的全新的可能性范圍。
媒體：可能需要很長(zhǎng)時(shí)間才能到達(dá)能夠做一些嚴(yán)肅事情的量子系統(tǒng)。在一家習(xí)慣于快速發(fā)展的公司，你如何管理耐心？
皮查伊：你知道，我和哈特穆特·內(nèi)文在一起，他和首席硬件科學(xué)家約翰·馬丁尼一起領(lǐng)導(dǎo)量子團(tuán)隊(duì)。我提到我退出了材料科學(xué)博士學(xué)位的學(xué)業(yè)。我曾經(jīng)研究高溫超導(dǎo)體，這是26年前，我坐在實(shí)驗(yàn)室里，我想，“哇，這需要很大的耐心才能完成。”我覺得我沒有那種耐心。我非常尊重團(tuán)隊(duì)中長(zhǎng)期堅(jiān)持這一旅程的人。但是幾乎所有的基礎(chǔ)突破都是這樣工作的，你需要那種長(zhǎng)遠(yuǎn)的眼光來(lái)建立它。
我對(duì)這樣一個(gè)里程碑感到興奮的原因是，雖然事情需要很長(zhǎng)時(shí)間，但正是這些里程碑推動(dòng)了這個(gè)領(lǐng)域的進(jìn)步。“深藍(lán)”超級(jí)計(jì)算機(jī)擊敗加里·卡斯帕羅夫時(shí)，是1997年。時(shí)間快進(jìn)到2016年，阿爾法狗在圍棋比賽中擊敗了李世石，你可以看著它說(shuō)，“哇，時(shí)間真長(zhǎng)。”但是每一個(gè)里程碑都會(huì)獎(jiǎng)勵(lì)那些從事這項(xiàng)工作的人，并吸引新一代人進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域。人類就是這樣進(jìn)步的。
就我之前的系統(tǒng)工程觀點(diǎn)而言——我們正在向量子計(jì)算堆棧的許多層推進(jìn)。因此，我們正在推動(dòng)進(jìn)步，這將被用于許多不同的方式。例如，我們建造自己的數(shù)據(jù)中心，這讓我們能夠建造像TPU（張量處理單元，這是谷歌深度學(xué)習(xí)框架TensorFlow的專用芯片），這使得我們的算法運(yùn)行得更快。所以這是一個(gè)良性循環(huán)。
從事創(chuàng)新技術(shù)研發(fā)工作的一大好處是，即使失敗你也是有價(jià)值的，甚至中期里程碑也有其他應(yīng)用。所以是的，你是對(duì)的，我們必須有耐心。但是一路上有很多真正的滿足感。
媒體：你們目前在量子計(jì)算上投資了多少？
皮查伊：這是一個(gè)相對(duì)較小的團(tuán)隊(duì)。但它建立在我們多年來(lái)在谷歌各個(gè)層面所做的所有投資的基礎(chǔ)上。它建立在公司多年的研究和我們?cè)诖嘶A(chǔ)上所做的應(yīng)用工作之上。
媒體：你能談?wù)劰雀韬虸BM在方法上的區(qū)別嗎？首先，IBM公司有一堆量子機(jī)器，放在云中供人們編程，而你是作為一個(gè)內(nèi)部研究項(xiàng)目來(lái)做的。
皮查伊：IBM公司將它作為云設(shè)備提供，這樣做非常好，吸引了其他開發(fā)人員。我認(rèn)為我們作為一個(gè)團(tuán)隊(duì)，一直致力于確保我們向自己和社區(qū)證明，你們可以跨越量子優(yōu)勢(shì)的這個(gè)重要里程碑。
媒體：IBM公司還表示，“量子優(yōu)勢(shì)”一詞具有誤導(dǎo)性，因?yàn)樗馕吨孔佑?jì)算機(jī)最終會(huì)比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)做得更好，而事實(shí)上它們必須在問(wèn)題的不同方面一起工作。他們指責(zé)谷歌公司夸大其詞。
皮查伊：我對(duì)此的回答是，這是藝術(shù)的一個(gè)技術(shù)術(shù)語(yǔ)。技術(shù)圈子里的人們完全理解這個(gè)里程碑的意義。
媒體：但是爭(zhēng)論的焦點(diǎn)是，公眾可能會(huì)認(rèn)為這是量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)戰(zhàn)勝了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的一個(gè)標(biāo)志。
皮查伊：我是說(shuō)，這和我們慶祝人工智能沒什么不同。有人把它和普通人工智能混為一談。這就是為什么我認(rèn)為我們出版量子優(yōu)勢(shì)的論文很重要。
重要的是，解釋這些事情的人要幫助公眾理解我們?cè)谀膫€(gè)階段，以及你將如何把傳統(tǒng)計(jì)算應(yīng)用到世界上你需要的大多數(shù)問(wèn)題上。使用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在未來(lái)仍將是事實(shí)。
媒體：人工智能在很多層面上為谷歌創(chuàng)造業(yè)務(wù)，它進(jìn)入了機(jī)器翻譯和網(wǎng)頁(yè)搜索這樣的服務(wù)中。你通過(guò)你的云向人們提供人工智能工具。您提供了一個(gè)人工智能框架TensorFlow，它允許人們構(gòu)建自己的工具。你還提供專門的芯片，人們可以用這些芯片來(lái)運(yùn)行他們的工具。你認(rèn)為量子計(jì)算最終會(huì)普及到谷歌的業(yè)務(wù)中嗎？
皮查伊：肯定會(huì)的。如果你退后一步看，我們投資人工智能并開發(fā)人工智能，但是后來(lái)我們才會(huì)知道它對(duì)我們所有業(yè)務(wù)都有用。
最后，在你談到的所有實(shí)際應(yīng)用中，我們不僅僅為自己使用人工智能技術(shù)，我們向世界各地的客戶提供它，我們關(guān)心人工智能技術(shù)的普及，量子計(jì)算也是如此。
媒體：你認(rèn)為量子計(jì)算對(duì)人工智能本身意味著什么？例如，如果你把量子計(jì)算和人工智能結(jié)合起來(lái)，它能幫助我們解決人工智能的障礙嗎？
皮查伊：我認(rèn)為這將是一個(gè)非常強(qiáng)大的共生事物。這兩個(gè)領(lǐng)域都處于早期研究階段。人工智能在構(gòu)建更大的模型、更一般化的模型以及需要什么樣的計(jì)算資源方面有令人興奮的研究題目。我認(rèn)為人工智能可以加速量子計(jì)算，量子計(jì)算可以加速人工智能，我認(rèn)為這是我們需要的，最終解決我們面臨的一些最棘手的問(wèn)題，比如氣候變化。
媒體：你提到新科技的普及推廣。谷歌在人工智能方面遇到了一些倫理爭(zhēng)議——誰(shuí)應(yīng)該使用這些工具以及如何使用它們。你從處理這些問(wèn)題中學(xué)到了什么，它是如何影響你對(duì)量子技術(shù)的思考的？
皮查伊：在這些階段出版論文和與學(xué)術(shù)界接觸非常重要。我們努力工作來(lái)參與。我們已經(jīng)公布了我們?nèi)娴娜斯ぶ悄茉瓌t。如果你拿人工智能偏差這樣的領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，我想我們?cè)谶^(guò)去幾年里已經(jīng)發(fā)表了超過(guò)75篇研究論文。所以，我們會(huì)理順我們的道德規(guī)范，積極參與研究。
我認(rèn)為有些領(lǐng)域的監(jiān)管可能是有意義的。我們希望建設(shè)性地參與進(jìn)來(lái)，幫助制定正確的法規(guī)。最后，還有一個(gè)外部參與和獲得反饋的過(guò)程。這些都是會(huì)影響社會(huì)的技術(shù)。沒有一家公司能搞清楚什么是正確的。沒有什么靈丹妙藥，但這還為時(shí)過(guò)早，在接下來(lái)的10年里，我們必須在所有這些問(wèn)題上共同努力。
媒體：一方面，說(shuō)你不會(huì)根據(jù)人工智能原則為某些目的開發(fā)人工智能技術(shù)，另一方面，創(chuàng)造一個(gè)平臺(tái)讓人們可以為他們想要的任何目的使用人工智能，這難道沒有一點(diǎn)矛盾嗎？
皮查伊：人工智能安全是我們最重要的倫理原則之一。你想建立和測(cè)試安全系統(tǒng)。這是我們開發(fā)過(guò)程中所固有的。如果你擔(dān)心量子系統(tǒng)會(huì)隨著時(shí)間的推移破壞密碼學(xué)，你需要開發(fā)更好的量子加密技術(shù)。過(guò)去當(dāng)我們建立搜索引擎時(shí)，我們也必須解決垃圾郵件問(wèn)題。
這些新技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)顯然更高，但一方面是你采用的技術(shù)方法，另外一方面是全球治理和道德協(xié)議。你將需要達(dá)成全球框架，從而產(chǎn)生我們想要的結(jié)果。我們致力于盡我們所能幫助發(fā)展這一技術(shù)，不僅是負(fù)責(zé)任的，而且要用它來(lái)保障安全等。我們會(huì)和其他機(jī)構(gòu)一起這樣做。
媒體：還有其他你現(xiàn)在也非常感興趣的技術(shù)嗎？
皮查伊：對(duì)我個(gè)人來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生清潔可再生能源的更好的方法有很大的潛力。但我對(duì)所有這些技術(shù)的組合以及我們?nèi)绾螌?shí)際應(yīng)用它們感到非常興奮。在醫(yī)療保健方面，我認(rèn)為在未來(lái)十年左右，我們將處于突破的邊緣，這將是深遠(yuǎn)的。但我也要說(shuō)人工智能本身——下一代人工智能突破、新算法、更好的一般化模型、轉(zhuǎn)移學(xué)習(xí)等等，對(duì)我來(lái)說(shuō)都同樣令人興奮的。