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Google 處理器或達「量子霸權」 IBM 及專家質疑結果

2019/10/24 — 17:02

電腦解決日常生活不少問題,但礙於運算方法,部份運算仍難以在合理時間解開。科學家認為量子電腦可解決此些問題, Google 在周三 (23/10) 發表報告,指他們已達成「量子霸權 (Quantum supremacy) 」。

量子電腦與一般只以 1 和 0 運算的傳統電腦不同,量子電腦可以以量子位元 (quantum bit, qubit) 運算。除了 1 及 0 外,量子電腦可容許 1 和 0 同時存在,即量子叠加特性 (superposition property) 。量子糾纏 (entanglement) 更讓電腦可以一個量子位元,預測到另一位元狀態。理論如此,但迄今都未有研究證明量子電腦可達到「量子霸權」— 即量子電腦對比傳統電腦運算時,有明顯絕對優勢,可在合理時間內完成。

Google 在最新刊於《自然》的報告中,指他們已研發出量子處理器 (quantum processor) Sycamore ,並達到量子霸權。他們聲稱這組由 54 個超導體量子位元組成的處理器,不過其中一組量子位元未能運作。即使如此,該量子電腦讓有 9,007,199,254,740,992 個狀態,同時計算多個答案是否正確。電腦科學家 Scott Aaronson 向《紐約時報》表示,今次發展就如同萊特兄弟 1903 年的飛機首航一樣,證實量子運算在完全實際應用前,要做到並非不可能。此研究曾在上月流出

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要測試量子處理器確實達到「量子霸權」,研究人員需讓電腦計算,確認一組數字是隨機分佈。該報告指出,現時最強大的傳統超級電腦 — IBM Summit — 需要用上 1 萬年才可完成此運算。相反, Sycamore 只需用到 3 分 20 秒即可解開此問題。

消息公佈後, IBM 表明不認同此說,並認為 Google 實際上未達到量子霸權。 IBM 指 Google 對傳統電腦運算方法有誤解:傳統電腦雖然要需用到大量隨機存取記憶 (RAM) ,但實際仍可作快速運算; IBM 續指出,只要改善程式演算法,就可令 Summit 在 2.5 日內解開隨機分佈問題,而非 10,000 年般「不可能」。換言之,兩日半時間比起 Google 原先估算 Summit 所需 10,000 年運算時間少 150 萬倍。兩間科技巨頭的分歧在於兩者對量子霸權中,「合理」時間所訂標準有差異。外媒 Quanta 就提出,定義不同會影響到科學家對於量子霸權的理解: 2.5 日對於部份問題可能算是合理時間,但亦有部份情況這已是用得太多時間。

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IBM 本身亦有一組 53 量子位元的量子電腦,但他們認為要達至「量子霸權」的要求應更高,而 Google 現有成果尚跟實際量子電腦發展里程碑差得遠。IBM 認為隨意以「量子霸權」形容研究成果方法並不可取。倫敦大學學院電腦科學家 Ciarán Gilligan-Lee 指,即使 IBM 正確,但 Google 的量子電腦仍然是一大進步。不過,芝加哥大學電腦科學家 William Fefferman 就向 Quanta 表示,實際時間分別並非最重要 ,而是現時未有證據顯示傳統電腦處理隨機分佈問題時,可以超越指數時間 (expotential time, O(nk) ) 完成運算。

儘管現時仍有對於是否達到量子霸權有不同意見,但 Gilligan-Lee 認為今次結果已顯示量子電腦可行。現時量子電腦發展處於「嘈雜中型量子電腦 (Noisy Intermediate-scale Quantum, NISQ) 」的階段,即運算時會累積小錯誤。因此 Gilligan-Lee 亦期望將科研界能達到下一個里程碑,控制到量子位元,從而減少此些錯誤。

有研究顯示傳統電腦可處理複製系統運算, Google 則在報告中指出,期望未來量子電腦模擬運算成本可逐步減低。發表是次報告的電腦科學家 John Martinis 展望將來數年可實驗約 1,000 量子位元的處理器,並指雖然仍有大量難題未解,但仍然對此相當興奮。 

現時離量子電腦實際仍差一段距離,部份專家認為保守估計需要至少多 20 年才可實際應用。不過,一旦量子電腦發展成功,將有助不同物料科學、藥物,以及化學研究,在較短時間內完成模擬程序。

來源:
New York Times, Google Claims a Quantum Breakthrough That Could Change Computing, 23 October 2019
New Scientist, It’s official: Google has achieved quantum supremacy, 23 October 2019
New Scientist, Google hits back at IBM's quantum supremacy challenge, 23 October 2019
John Koetsier, IBM: Google’s ‘Quantum Supremacy’ Is 150 Million Percent Wrong (Seriously), 23 October 2019

報告:
Arute, F., Arya, K., Babbush, R., Bacon, D. & et al. (2019). Quantum supremacy using a programmable superconducting processor. Nature, 574, p505–510. DOI: 10.1038/s41586-019-1666-5

文/Edward Ho、審核/Alan Chiu

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