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【基础科研】Google的量子霸权是怎么回事?
2019/09/25 06:25
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前天有读者在访客簿(顺便提一下,请大家尽可能在文章下的留言栏做讨论,只有在《UDN》的系统出问题,无法正常留言的前提下,才选择访客簿)上提问,说Google刚宣称的“量子霸权”(“Quantum Supremacy”)是怎么一回事?当时我说:“要嘛是谣言,要嘛是一个毫无实际意义的程序,专爲创纪录而创纪录。”

现在有了更清楚的消息(参见Scott Aaronson的博客https://www.scottaaronson.com/blog/?p=4317;Aaronson是知名的量子计算专家,并且参与了Google的这个研究计划),我可以给出更精确的答案,也就是上述两个可能中的后者。这是一个毫无实际意义的结果,而且有相当严重的假大空成分。

首先,我们先解释一下什么是“量子霸权”;它指的是量子计算机在某个程序上能比现有的古典计算机高效许多。请注意,这个定义并不要求那个程序有任何实际意义或价值,所以我一开始就疑心Google团队钻的是这个漏洞。

结果果然是如此。Google选择的程序是先随机产生一串长度为N(Aaronson说N大约为20)的量子位元串行,其间可能有各式各样的量子纠缠,然后不断复制这个串行,再让复制版塌缩形成长度为N的古典位元,那么这些古典位元就是随机但并不完全独立,而是有由量子纠缠来决定的复杂相关性(Correlation)。这有什么用呢?一点用处都没有,就像你随便建造出一个复杂而没有规律的机器,然后说它在产生独特的噪音上,有无可比拟的效率。

事实上,Google的这个“成就”,比毫无实用价值还要糟糕。要理解这一点,我们先回顾一下当前量子计算界的处境。现在的世界记录是不到100个量子位元;但是这些位元很不稳定,非常容易与周围的巨观环境起作用而丧失量子态,这是我以前详细讨论过的量子退相干过程(Quantum Decoherence)。要知道计算的输出(Output)是程序逻辑的结果,而不是量子噪音的后果,就必须有纠错机制。

目前人类所知的量子纠错机制,必须用上80-10000个原始的量子位元,才能产生1个稳定可靠的位元(叫做逻辑位元,Logical Bit)。世界记录是连1个逻辑位元都没有的。

Google的这个“突破”,第一个巧妙之处在于用的是内生的(Endogenous)随机量子态,而不是事先指定的(亦即Exogenous,外源性的)串行。虽然Google团队可以试图去影响这些原始量子位元之间的纠缠,实际上是否成功,完全无法验证。

Google用了50-60个量子位元来储存这个量子串行,并且不断复制再塌缩。这显然并没有解决纠错的基本难关,其结果自然无法确认量子态在程序过程中被正确保存了,还是纯属噪音。

所以Google团队就先用古典计算机算出他们计划中的量子纠缠应该会产生的相关性,接著反复地用量子计算机跑这个程序,一直到它产生同样的相关性结果爲止。这时他们比较两者跑单次程序所花的时间,然后宣称量子计算机大获全胜。

至此,理工科的读者应该理解到问题有多大。首先,相关性关系里的自由度(Degrees of Freedom)远低于原系统,所以只用相关性结果来验证程序的正确性,完全可能是统计上的偶然。

但是更基本的毛病,在于Google的量子计算机并无法自行保证结果是正确的,只有在古典计算机已经给出结果之后,才能做比较。一个有相当大而且不可预知的可能性会输出噪音的计算机,不止是没有实用价值,根本就没有任何意义。这是标准的假大空,不是学术界可以容许的做法。Google是一个商业机构,做虚僞广告是本行,但是量子计算界不应该受商业资金的收买,学术道德也不能待价而沽。

【后注一】因爲Aaronson的博文对若干细节语焉不详,我必须依照科学原理来做推测,现在有更新的文章,似乎是有一点差异,亦即Google的系统比我想象的还要简单,连“复制”的那一步都做不到,而只是反复地随机产生量子位元,然而塌缩。这对接下来的评论并没有影响,Google仍然是先射箭、再画靶,而且也没有纠错机制,如果没有古典计算机的验证,就不知道结果是否正确。

【后注二】有读者用私信问我有关最近《Nature》上面批评中国在西部干旱地区植树的一篇论文。我的想法和这里的正文有点关系,所以也节录于下。

我觉得一般的中国群众,因爲受传统文化和社会结构的影响,对学术界有非理性的崇拜。事实上,现代学术界虽然整体来说还是有不断的重要贡献,但是其中欺世盗名的假大空已经占了大多数,所以固然不须要拿任何个别论文来当真,即使是中位平均(Median)也可以鄙视的。这是因爲不能被复制的科学论文,就是假的,而假科学不但没有任何正面价值,反而对人类社会能有重大的负面影响。

我以前已经提过,现代学术界正处在一个所谓的“可复制性危机”(Reproducibility Crisis),过去十年有很多研究,给出惊人的可复制比率(如11%,也就是大约1/9)。在2018年出版的一个新报告(参见https://www.sciencemag.org/news/2018/08/generous-approach-replication-confirms-many-high-profile-social-science-findings)专注在最顶尖的两个科学期刊(亦即《Nature》和《Science》,这篇论文本身发表在《Nature》)上,结果是只有62%可以复制,而且即使在这62%里,信号强度也显著低于原本号称的程度。

以上这些研究的对象,只限于实验性的论文,所以至少还有几分之几的可复制性可谈。如果我们考虑如高能物理理论这样在过去40多年总进展为零的领域,就会明白他们在期间所发表的百多万篇论文几乎全都是假大空,那么自然更加没有什么崇敬的必要。

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回响(7) :
7楼. 大一统理论
2019/09/29 00:32
光是量子计算可能让材料科学、新药物合成、量子化学等领域有巨大突破,怎么会是这里一点点、那里一点底的小优势呢? 只要量子通用计算能够真正实用,就能够让随计算规模成长古典计算机在指数倍时间才能做完的事情再多项式时间里做完间,量子计算的研究可以算是高风险高报酬的投入,怎么会是一点点小优势呢? 我并不否认他的投入失败可能性很大 但是1%成功率可能完全改变在材料科学、量子化学大分子药物合成等领域的巨大突破就足以让他继续研发了....

这不只是成功机会小的问题,主要是在民生用途上,不须要第一个去吃螃蟹,象是LCD是美国人发明的,但是赚钱的是日本、韩国、台湾和大陆。如此一来,投资风险和报酬的平衡公式就不一样。

军用的就会绝对保密,所以只好自己开发。

王孟源2019/09/29 09:07回覆
6楼. K.
2019/09/27 16:47
.
我觉得现在大国搞量子计算就是一个囚徒困境,搞成的可能性也许非常低,但说不准哪里个国家哪里一天突然做出了革命性突破,如果这种情况发生,不研究这个的国家就会非常被动,所以必须研究,即使投资浪费了也是大家一起浪费,总比发生上面那种情况要好,再说万一自己国家研究出来了呢
是的,我一直说量子计算和量子通讯的意义只限于大国竞争,就是这个意思。 王孟源2019/09/27 21:22回覆
5楼. lbboy
2019/09/27 11:45
请问公开密钥保密性受到打击的影响层面

请问这种对公开密钥的保密性破坏的方法出来之后,会不会对像比特币等加密货币等金融记帐系统产生重大的冲击?

谢谢


有可能。Bitcoin的电子签名用的是椭圆曲线加密法(详细来说是ECDSA算法),这是现有公开码的一种。 王孟源2019/09/27 12:10回覆
4楼. 大一统理论
2019/09/26 16:27
(抱歉我底下打错字)回王博士量子计算机用来解决目前的通常的应用,因为这些应用通常已经被优化成多项式时间的复杂度能完成的并不会比古典计算机更快(看要解决什问题),但是量子通用计算如果在工程上有突破并不是只能应用在RSA加密算法的破解上面,秀尔算法只是其中一种量子算法而已,还有一大堆的应用是非多项式时间的,而且量子算法也不只一种,计算机科学里将计算规模的成长和所需资源的关系用「计算复杂度」大写O(括号)表示,例如算法导致的计算规模每增长N倍 如果是需要指数倍的时间 这样的算法就称谓指数复杂度O(C^N) 大写的O,而比如说许多人如果学过基本的程序设计会知道例如收寻排序所使用的"气泡排序算法"通常只要O(log N)对数时间纳就能找到结果,而算法并不是什么高大上的称呼,只不过是处理问题的数学方法和逻辑而已,但是就是这个处理问题的方法和逻辑过程影响程序执行的效率,如果计算规模和计算所花的时间呈线性相关就是O(N)大致上如果规模成长N倍所需的资源只会增长N倍,但是有一些应用例如风洞模拟、新药开发、材料科学,是基本上找不到什么好的数学方法能够降低计算复杂度的,用古典计算机计算式和计算规模成指数相关的O(C^N),这就是量子计算机的妙处,如果量子通用计算实现就能把原本需要和计算规模成长成指数倍时间的扩张的算法降低成只需要多项式时间,在这些领域如材料科学、可能都会有重大突破的.......

但是如果数学方法(算法)上有重大突破同样也能在古典计算机上达成突然的突飞猛进,并不是一定需要量子计算机,例如这个神童有找到针对特定应用的特定问题的解决方法造成「用古典计算机就能够达成量子算法的计算性能https://buzzorange.com/techorange/2018/08/02/18-prodigy/

新闻:18 岁台裔神童只花一年,就让传统计算机算法效率也能逼近「量子计算机」



以上完全是有可能的,只要数学方法上有改进或有重大突破

针对特定问题的解决方案完全有可能突然之间变得比量子计算机更快...
我指的是在量子计算的经济成本、时间耗费以及失败的可能性都很大的背景下,这里一点、那里一点的小优势根本不足以交待爲什么国家必须做出这么大的投入,唯一勉强说得过去的,是在互相监听上可以得到的战略利益。 王孟源2019/09/27 06:29回覆
3楼. 大一统理论
2019/09/25 22:41
量子通用计算领域的量子计算距离实用化还很远,距离建造一个有效的量子逻辑位元都还很远,而量子计算目前只有量子保密通讯的应用被中国工程师实用化而已,但是对大多数对计算机科学理解不深的人来说看到新闻还以为量子计算都快要普及了量子计算机快要出了,他们不清楚这两者的分别......因为他们没学过算法和计算复杂度理论、程序设计等相关课程,结果就是一些非理性投资人买进股票Google达到宣传效果....
是的,量子计算目前可见唯一的实用目的,是破解使用公开码(Public Key)的密信,它不但对私码(Private Key)毫无作用,连下一代的公开码都不一定会有效。所以它真正的意义,只在于有点可能会对大国之间的互相监听有影响。

要破解现有的公开码,至少要有几千个逻辑位元,显然这不是能很快发生的事。
王孟源2019/09/26 09:04回覆
2楼. 东湖人
2019/09/25 10:35
感谢王兄解惑,这个谷歌的量子霸权消息一出来,先让人吃惊,后来撤论文又搞得扑朔迷离。我内心一直是觉得此事应该不靠谱,因为听过科技猿人关于量子通信那一期的扫盲,所以完全不相信谷歌能突然放出个大卫星出来。这下明白了。另外,私以为搞基础性科技,什么公司都不可能干得过国家行为。

目前Google爲什么撤稿,有不同说法,包括他们的公关预定的时间还没有到,事先泄露是个别人员的失误。

如果有精干的管理人,国家的力量当然大于企业。问题是中共的官僚体系,对专业议题并不擅长。

王孟源2019/09/25 18:14回覆
1楼. leo369258
2019/09/25 10:18
王老师已经很久没有发有关军事的文章了,期待。。。。

最近比较没有去注意新武器的发展。。。

不过我在过去很多年,一直诟病共军居然还大批采用蓝色的野战迷彩服。现在总算要改了。

王孟源2019/09/25 10:29回覆