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约翰·马丁尼斯:谷歌“量子霸权”背后的男人

造就 · 2020-01-20
量子世界的Hello World时刻

编者按:本文来自微信公众号“造就”(ID:xingshu100),36氪经授权发布。

文字 | 田晓娜

校对 | 黄一成

版面 | 尹欢欢

量子力学和相对论,被称为现代物理学的基础。

《复仇者联盟4》上映时,网上流传着这样一个段子:遇事不决,量子力学。

意思是说当剧情BUG太多,圆不回来时,就开始扯薛定谔的猫、量子纠缠、量子波动等高大上术语,一堆量子力学的名词扔出来,唬得观众一脸不明觉厉。

从宣称直达肌肤底层的量子美颜喷雾、5S升级版量子水杯到异想天开的量子肥料、荒唐的量子波动速读,似乎万事万物皆可量子力学。

约翰·马丁尼斯:谷歌“量子霸权”背后的男人

量子速读动图

而信奉“追求永无止境”的谷歌,自然也不会放过量子的早班车。

2019年9月20日,谷歌披露的一份内部报告称,谷歌的量子计算机在3分20秒内解决了目前世界上最强大的超级计算机“Summit”需要1万年才能计算出来的问题,实现了量子霸权。

消息一经面世,立刻引起了全世界的关注。

量子霸权这一概念是2012年约翰·普瑞斯基尔(John Preskill)提出的。它的英文名是“quantum supremacy”,意为“优越性”。

量子霸权不是针对任何国家、任何种族的霸权,而是指量子计算机凭借远超经典计算机的优越性能而拥有的霸权,代表量子计算装置在特定测试案例上表现出超越所有经典计算机的计算能力。

所以与其说谷歌实现了量子霸权,不如说谷歌证实了量子优越性更加准确。

谷歌证实了量子计算机的运算速度远超传统计算机,这是量子计算机发展史上的一件里程碑事件。

虽然离量子计算机真正面世还很遥远,但我们的确迈出了重要的一步,使量子计算从理论走向现实。

而所有这一切成就,都离不开量子霸权背后的男人——约翰·马丁尼斯(John Martinis)。

约翰·马丁尼斯:谷歌“量子霸权”背后的男人

约翰·马丁尼斯

被一次演讲改变的人生

1981年, 在MIT与IBM联合举办的量子物理计算大会上,被誉为爱因斯坦之后最伟大的科学家理查德·费曼(Richard Feynman)发表了著名的《用计算机模拟物理学》的报告。

报告中,费曼首次提出了量子计算机的概念(利用粒子的量子特性制造计算机),并敦促科学家们尽快造出一台量子计算机,因为想要模拟量子系统的演化,经典计算机根本无法实现,必须要用量子系统来模拟。

约翰·马丁尼斯:谷歌“量子霸权”背后的男人

费曼有一句经典名言:“如果你以为自己懂量子力学,那你是真的不懂量子力学。”

他表示:“我对所有经典理论分析都不满意,因为自然不是经典的。如果你想模拟自然,你最好把它变成量子力学。”

在经典计算机中,信息存储是通过0和1实现的。0和1的每个单位是比特,每个比特可以被设置成0或1。

量子计算机的基本单位不是比特,而是量子比特。因为量子具有叠加态,量子比特可以是0或1,也可以像薛定谔既死又活的猫一样,同时是0和1两种状态的叠加。

因为量子比特可以表示多种状态,一次运算就可以处理多种情况,所以几十个量子比特的运算力就能超过经典计算机,理想状态下300个全纠缠状态的量子比特就可以储存比宇宙中原子数还多的信息。

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比特和量子比特

1987年,刚从加州大学伯克利分校毕业的马丁尼斯听了费曼的演讲后,深深地被量子计算机概念吸引住了。

马丁尼斯的研究方向本身也与量子有关,他的博士论文就是对超导体中的量子态进行了开创性研究。

受费曼的影响和启发,马丁尼斯走上了量子计算机的研究之路。

他回忆道:“对我来说,很明显这是个好主意,这样的研究会很棒。”

实现量子霸权的Sycamore

2019年,谷歌在Nature 150周年纪念特刊上发表了名为《使用可编程超导处理器的量子霸权》(Quantum supremacy using a programmable superconducting processor)的文章,正式宣布谷歌实现了量子霸权的消息。

实现了量子霸权的量子处理器名为“Sycamore”,由54个量子比特的二维阵列组成,每个量子比特可耦合到矩形格子中的4个临近的量子比特。

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Sycamore芯片

据报道,Sycamore测试时只有53个量子比特正常工作,但这并不影响Sycamore远超经典计算机的运算能力,在200秒内解决了经典计算机需要10000年才能完成的问题。

在这短短200秒背后,是谷歌13年的努力。

自2006年谷歌 AI量子团队诞生以来,谷歌就开始了对量子计算机领域的探索。

2014年,马丁尼斯受邀加入谷歌团队,成为谷歌的量子硬件首席科学家,负责领导量子计算机的硬件及芯片研究。

事实上,早从上世纪80年代开始,马丁尼斯就一直在从事量子相关研究。

还在读研究生时,他就率先开展了超导量子比特的研究。

2002年以来,他的研究重点转向利用约瑟夫森结(Josephson junction)建造量子计算机。

2010年,他和同事观测到的“量子鼓”现象被Science评为2010年最重大的科学突破。

2014年,他因为在量子控制、量子信息处理和具有超导量子位和微波光子的量子光学领域的突出贡献被授予了伦敦奖。

2015年,他带领团队研制出首个能检测并纠正其自身错误的量子装置。

……

Sycamore的诞生,离不开马丁尼斯多年以来持之以恒的研究。

Sycamore处理器创建了53个量子比特的量子态,态空间维度高达253(约1016)。

从重复实验中得到的测量结果可作为概率分布的样本,使用经典计算机对其进行验证。

Sycamore处理器需要200秒就可对量子电路采样一百万次,而最新型经典超级计算机大约需要10000年才能完成同样的任务,证实了量子霸权的存在。

Google CEO桑达尔·皮查伊(Sundar Pichai)接受采访时表示:“此次事件就像莱特兄弟发明飞机一样。虽然飞机第一次试飞只飞了12秒钟,看起来没有实际用处,但它证明了飞机飞行的可能性。”

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桑达尔·皮查伊和谷歌的量子处理器

的确,距离真正制造出量子计算机,我们可能还需要更多时间,但是谷歌的发现证明了这样的未来是可能实现的。

Sycamore实现了量子霸权,证明我们正在沿着正确的道路前行,未来可期。

不会退休的物理学家

谷歌实现量子霸权,被许多专家称为量子世界的“Hello World”时刻。

“Hello World”是开发人员用来测试系统的第一个程序,首次出现在1973年出版的《编程语言B教程导论》中。“Hello World”的出现,标志着计算机时代的正式到来。

只不过这一次,不是“Hello World”,而是“Hello 量子世界”,为我们认识世界提供了更多可能。

自然界是量子的,量子计算能帮助我们从分子层面上理解和模拟自然界。

从气候变化到各种疾病,量子计算还可以帮助解决这些目前最为棘手最为紧迫的问题。

不过,距离量子计算机真正成为现实,我们还有很长一段路要走。

马提尼斯自己也很清楚,这只是一场马拉松的开始,而不是最后的终点冲刺。

对于量子计算机的未来,他显然有更多想法。

他计划开放Sycamore供外部研究人员在云系统上使用,看是否有新的算法可以在Sycamore运行。

此外,由于现在的量子计算错误率非常高,信息的保真度只有0.1%,所以他未来的主要任务是制造更好的量子芯片,能纠正由噪声引起的错误,降低错误率。

他还计划投入更多资源,尽快制造出真正的量子计算机。

“像我这样的物理学家是不会退休的,”他说,“我还有很多事情要做。”

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