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量子位 報(bào)道 | 公眾號 QbitAI

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，似乎并沒有當(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)，完成了超級計(jì)算機(jī)需要1萬年才能算完的任務(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，谷歌所說的1萬年只是特定算法，實(shí)際上只要算法優(yōu)化得當(dāng)，全球頂級超算Summit大約只需2.5天即可計(jì)算完成。

也就是說，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。

從原理上來說，如果用算法來模擬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)測全球最強(qiáng)超算也需要1萬年。

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(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)。新算法通過切斷網(wǎng)絡(luò)的一些連接來簡化關(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：

如果我們對量子霸權(quán)電路的模擬，可以在現(xiàn)代超級計(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)》采訪時(shí)說：

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電路的采樣問題。

算法已開源

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)過半年多的優(yōu)化，最終他們在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。

而且他們并沒有對運(yùn)算過程做進(jìn)一步優(yōu)化，張量收縮過程使用的仍是現(xiàn)成Python庫，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開源，如果你有足夠計(jì)算資源運(yùn)行該程序——一臺顯存超過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)。

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(biāo)題：《中科院團(tuán)隊(duì)用算法追上谷歌“量子霸權(quán)”：谷歌量子處理器并沒有比E級超算快》

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