論Google 量子霸權實驗(Quantum Supermacy)

[cover photo source: NASA/TP-2019-220319 Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor, Google AI Quantum and collaborators]
上週NASA外洩了Google量子霸權的實驗論文後,我開始瘋狂被相關的中英文消息洗版(甚至有人來私訊問評論lol),就花了些時間把論文找來看看到底有什麼有趣的細節(這年頭上網之後又說被撤下的東西通常還是找得到的,我文章中有連結).希望大家看了會獲得一些收穫,喜歡的話歡迎大家分享、留言、並且幫我拍手給個讚賞了.

先說對背景觀念:量子霸權的概念到底要怎麼定位,我個人會說他是個極為人為建構出來的目標,「透過量子電腦運行複雜的量子邏輯閘最終獲得的答案機率分佈」(此次google實驗)即使無法被古典電腦精確模擬,這個實驗也不具有什麼物理學上或是實際科技上的價值,物理上做出logcial qubit或是error correction code 意義都大多了,就科學應用上這也比不上透過量子模擬獲得分子能階甚至是直接去攻克名聞遐邇的Grover/Shor Algorithm.不過量子電路的結果分佈無法被古典電腦有效模擬這件事還是說明了量子計算的終於走出了古典的框架邁入新天地:這實驗就是個里程碑(在資訊科學上Extented Church-Turing Thesis終於被終於被違反),具有前瞻畫大餅意義和歷史紀念意義.
接下來來談一下論文本身其核心成就:透過重複運行53個量子位元產生的量子電路(最大的電路是1113 Single Qubit Rotation and 430 Two qubit Entanglement)為一個週期,Google AI Quantum Lab證明了只要反覆循環這個週期超過12次以上就會讓古典電腦的精確模擬變成不可行(12個週期要超級電腦模擬一週/14個週期是四年/16個週期就要六百年了),因為計算的難度是和量子位元數目與週期數目成指數成長(Google 去年有類似的實驗只有40多顆量子位元,所以當時尚未達到量子霸權).即使他們的量子位元品質不是前無古人(single qubit gate error ~0.15%/two qubit gate error ~0.6%),以超導體量子電腦來說這仍舊是非常讓人驚艷的數字.加上超導體量子電腦的計算時脈是nano second,可以在給定的時間內有有極為大量的數據讓統計起伏降的夠低:注意,他們實驗的成功率(Fidelity)只有0.1% 的數量級(由於前面提到的gate error),不過實驗的統計誤差小了個數量級只有0.01%,所以最後的實驗是有5個標準差以上的信心水準. 而量子霸權領域的古典驗算google 絕非兩手一攤說「我不會算就當作是對的吧」,而是把整個量子電路拆成兩半(分別都是古典可解)分別算完後再把他們黏合起來比較,由於在小型的系統中精確模擬和這種近似法是吻合的,所以我會說Google 用近似法來做驗算是有誠意和負責了.

 

最後直得提的一件事是Google AI Quantum Lab 做了一個大膽的預測,他們認為量子計算的潛能是雙重指數成長:第一個指數是由類似現在的摩爾定律在硬體貢獻的,固定的時間內量子電腦的量子位元會翻倍;指數成長的硬體本身包含第二個指數成長:量子位元本身的計算維度就是指數成長的(每增加一個量子位元向量空間的維度是乘二).這個預言確實非常大膽,畢竟沒有人可以肯定量子電腦在的物理製程會不會有瓶頸、以及計算為度增加是否都可以被有效運用,當然大膽的預測總是讓人印象深刻,我前一次看到雙指數成本的預測就是在奇書「奇點臨近」談計算機的計算能力(這本書就是我的部落格典故由來),沒想到第二次看到雙指數成長就會在自己的研究領域XD

 

更新:量子霸權實驗的應用

我必須把提到Google 量子霸權實驗沒有實際應用的部分收回,根據物理學家Scott Aaronson的部落格文章(Q9簡報P8)顯示,這種實驗可以產生「可驗證的隨機模型」:其提供了從偽隨機變數產生隨機變數的過程,最後產生之隨機亂數是第三方都可以信任的.這種把量子電腦當作隨機亂數產生器(True Random Number Generator)的雲服務對於加密貨幣乃至整個密碼學領域都有所幫助.除了可想而知的線上賭博和抽籤需要隨機亂數之外,權益證明(POS)在抽籤決定驗證者時也需要隨機變數,而以太坊2.0升級的幾個重點就包含了鏈上隨機變數、和升級到權益證明(另外一個升級就是升級到後量子密碼學的簽章),只能說加密貨幣社群或許能夠未受量子計算破解非對稱加密之害而先受益.

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