邊策 發自 凹非寺

量子位 報道 | 公眾號 QbitAI

兩年前，谷歌宣布實現了“量子霸權”，用量子計算機完成了一個經典計算機不可能完成的任務。

現在，來自中科院理論物理所的研究者，用數學方法追上了谷歌的“量子霸權”。

他們用實驗證明了：經典計算機在使用一種新的算法后，谷歌量子計算機的優勢，似乎并沒有當初宣傳的那樣大。

2019年10月23日，谷歌發表Nature封面文章：53個量子比特的處理器Sycamore在200秒內，完成了超級計算機需要1萬年才能算完的任務。

△ 谷歌Sycamore量子處理器

2年后，中科院團隊在512個英偉達V100組成的計算集群上，在15小時內完成了同樣任務。

其實谷歌當年提出“量子霸權”概念時，就遭到了業界質疑。

IBM首先指出，谷歌所說的1萬年只是特定算法，實際上只要算法優化得當，全球頂級超算Summit大約只需2.5天即可計算完成。

也就是說，谷歌的量子計算機雖然更快，但并不是不可逾越的鴻溝。

現在，IBM的質疑得到了中國科學家的實驗證實。

中科院團隊估算，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，那就比量子計算機還快了。

此外，他們的方法得到的計算結果比Sycamore準確性“高得多”。

用該方法生成的100萬個不相關樣本的保真度為0.0037，而谷歌量子計算機的保真度僅為0.002。

優化量子模擬算法

當初，谷歌Sycamore執行的計算任務是，描述量子隨機數生成器的分布。通過一系列隨機數在53個量子比特的電路中演化，得出隨機數的概率分布。

從原理上來說，如果用算法來模擬Sycamore中的量子物理學，那么經典計算機也能獲得與量子計算機相同的結果，但是所需的計算資源太大。谷歌預測全球最強超算也需要1萬年。

但中科院團隊認為，谷歌估計的計算時間依賴于特定的經典算法，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典算法追上乃至打破谷歌“量子霸權”。

他們沒有直接完全模擬量子過程，而是使用了一種簡化算法，可以達到與Sycamore相同的隨機性，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絡，用張量來表示量子比特屬性之間的關系。

上圖中，最左側一層表示53個量子比特的初始狀態，最右側一層表示終止狀態。新算法通過切斷網絡的一些連接來簡化關系，從圖像上看就像是在三維網絡上“鉆孔”。

至于鉆孔的位置，則是由Sycamore芯片本身的物理結構決定的。

這種收縮張量網絡的方法讓模擬量子芯片成為可能，可以將Sycamore分拆為數個較小的子網絡。

論文的最后，團隊表示：

如果我們對量子霸權電路的模擬，可以在現代超級計算機中高效地實現，原則上，整體模擬時間可以減少到幾十秒，比谷歌的硬件實驗更快。

該團隊在接受《南華早報》采訪時說：

據我們所知，這是第一次在實踐中，用經典方法解決了保真度大于谷歌Sycamore電路的采樣問題。

算法已開源

早在今年3月，他們就在60個GPU上進行了模擬實驗，耗時約5天。

經過半年多的優化，最終他們在512個英偉達V100組成的計算集群上，達成了15小時的成就。

而且他們并沒有對運算過程做進一步優化，張量收縮過程使用的仍是現成Python庫，若使用其他軟件還可能更快。

目前，這個模擬算法已經在GitHub開源，如果你有足夠計算資源運行該程序——一臺顯存超過32GB的計算機。

他們還提供了一個Demo程序，用于計算該算法一個子任務的總運行時間。

量子計算機也在發展中

不過需要指出的是，量子計算機也在不斷發展中。

谷歌量子計算團隊的負責人Hartmut Neven曾表示，即使其他研究人員減少了進行經典模擬所需的時間，量子硬件也在不斷改進。

比如，這個月IBM就實現了而127量子比特的計算機，是谷歌Sycamore規模的2倍多，再想用經典算法超越就很難了。

領導這項研究的張潘教授也承認，Sycamore在處理量子計算方面仍然“快得多”，而經典超級計算機在擴展和處理更復雜任務的能力方面受到限制。

作者簡介

這篇論文的第一作者是中科院理論物理所研究生Pan Feng，本科畢業于南京航空航天大學，目前已經在PRL等期刊上發表多篇論文。

本文第二作者是北大元培學院Chen Keyang。

而通訊作者是Pan Feng導師，中科院理論物理研究所教授張潘，他的研究領域是統計物理學、應用數學和計算機科學。

參考鏈接：

[1]https://arstechnica.com/science/2021/11/math-may-have-caught-up-with-googles-quantum-supremacy-claims/

[2]https://www.scmp.com/news/china/science/article/3125539/chinese-scientists-challenge-googles-quantum-supremacy-claim-new

[3]https://www.scmp.com/news/china/science/article/3155902/chinese-teams-classical-computing-tackles-impossible-challenge

[4]https://arxiv.org/abs/2111.03011

[5]https://arxiv.org/abs/2103.03074

https://github.com/fanerst/solve_sycamore

— 完 —

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原標題：《中科院團隊用算法追上谷歌“量子霸權”：谷歌量子處理器并沒有比E級超算快》

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