谷歌量子霸權(quán)取得重大進(jìn)展！谷歌CEO：意義堪比發(fā)明飛機(jī)

10 月 23 日晚，《自然》(Nature)雜志在官網(wǎng)上放出了重磅消息：一個(gè)月前被 NASA 發(fā)表又火速撤下的谷歌“量子霸權(quán)”論文重新發(fā)表，稱其是量子領(lǐng)域中“Hello World”一樣的里程碑事件。谷歌在論文中表示，自己已經(jīng)開發(fā)出了一款54量子比特?cái)?shù)的量子芯片，名為Sycamore，由鋁、銦、硅晶片和超導(dǎo)體(約瑟夫森結(jié))等材料組成，每個(gè)量子比特和臨近的4個(gè)量子比特耦合。

與此同時(shí)，谷歌 AI 量子團(tuán)隊(duì)也發(fā)布了一條視頻，講述其如何實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)(Quantum Supremacy)”。

從論文刊登的時(shí)間線上來看，谷歌于今年 7 月 22 日遞交了論文，而被 NASA 發(fā)表的那天正是它被正式接受的時(shí)間。谷歌在媒體發(fā)布會(huì)上表示，NASA在內(nèi)部審核時(shí)出現(xiàn)了失誤，錯(cuò)把已經(jīng)接受但還不應(yīng)該顯示的文章發(fā)布了出來，而且是初版?？磥砻鎸?duì)如此重大的研究成果，強(qiáng)如 NASA 也有些急不可耐。

除了副標(biāo)題、格式和補(bǔ)充資料，論文的主體內(nèi)容和結(jié)論幾乎沒有變化，但谷歌研究團(tuán)隊(duì)在評(píng)審過程中收到了很好的反饋，決定在論文中增加大量的技術(shù)細(xì)節(jié)資料作為補(bǔ)充，因此在NASA誤發(fā)論文時(shí)選擇了暫時(shí)沉默，不希望評(píng)價(jià)不完善的論文。

不過，實(shí)際上執(zhí)行運(yùn)算的只有 53 個(gè)量子比特和 86 個(gè)耦合器，剩下的 1 個(gè)量子比特?zé)o法正常工作。

通過一系列實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，谷歌研究人員開發(fā)了一套高保真度的糾錯(cuò)流程，進(jìn)而對(duì)芯片展開測(cè)試，最終得出結(jié)論，同樣是對(duì)一個(gè)量子電路產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)字采樣 100 萬次， Sycamore 芯片支持的量子計(jì)算機(jī)只需要 200 秒，同時(shí)維持很低的誤差率，而世界最強(qiáng)超算 Summit 需要 1萬年。

按照 2012 年加州理工學(xué)院量子理論物理學(xué)大牛 John Preskill 提出的“量子霸權(quán)(Quantum Supremacy)”的定義，量子計(jì)算設(shè)備可以超越經(jīng)典計(jì)算設(shè)備，解決后者無法解決的計(jì)算任務(wù)。這種情況曾在 2018 年 10 月被證明理論上行得通，而谷歌的實(shí)驗(yàn)結(jié)果則標(biāo)志著量子計(jì)算機(jī)在解決一個(gè)隨機(jī)采樣任務(wù)上超越了經(jīng)典計(jì)算機(jī)，甚至意味著只能在量子處理器上執(zhí)行的計(jì)算任務(wù)誕生。

這也是為什么谷歌論文中提到了自己“在這一特定計(jì)算任務(wù)上實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)”，甚至樂觀地表示量子處理器的計(jì)算能力或?qū)⒆駨?ldquo;量子摩爾定律”，計(jì)算性能每幾年就翻一倍，也許離有價(jià)值的實(shí)際應(yīng)用只差一個(gè)創(chuàng)造性的算法了。

不過，面對(duì)這樣的結(jié)論，量子物理學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界迅速分成了樂觀派和質(zhì)疑派。前者認(rèn)為谷歌實(shí)現(xiàn)了一項(xiàng)偉大的科學(xué)成就，展示了一條通向可擴(kuò)展量子計(jì)算的道路，狠狠地打臉那些質(zhì)疑量子計(jì)算機(jī)可行性的人。

而以 IBM 為首的質(zhì)疑派認(rèn)為，雖然這是一個(gè)里程碑，但谷歌的實(shí)驗(yàn)有缺陷，執(zhí)行同樣的計(jì)算實(shí)驗(yàn)，經(jīng)典計(jì)算機(jī)可能也只需要 2.5 天，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有谷歌所說的 1 萬年那么夸張。除此之外，谷歌離真正的量子計(jì)算機(jī)還有很長的路要走，因?yàn)樗鼒?zhí)行的計(jì)算任務(wù)沒有已知用途，不足以證明其通用性，而且如何實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的容錯(cuò)運(yùn)算依然是個(gè)巨大挑戰(zhàn)(谷歌在論文中也承認(rèn)了這一點(diǎn))。

換句話說，質(zhì)疑者認(rèn)為，谷歌聲稱的“實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)”的言論是具有誤導(dǎo)性的。

話雖如此，谷歌 CEO Sundar Pichai 強(qiáng)調(diào)此次的研究成果對(duì)谷歌來說具有“里程碑”式的意義，并將其與萊特兄弟發(fā)明飛機(jī)時(shí)的首次 12 秒成功試飛相比。研究團(tuán)隊(duì)也在媒體發(fā)布會(huì)上呼吁大家要有耐心，將目光放的更長遠(yuǎn)一些，更多關(guān)注于新研究中量子芯片性能和量子計(jì)算本質(zhì)，而非糾結(jié)于量子霸權(quán)的實(shí)現(xiàn)與否，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)有價(jià)值的量子計(jì)算是一個(gè)耗時(shí)非常久的長期項(xiàng)目，需要所有人一起努力。

截至目前，谷歌已經(jīng)在量子計(jì)算的項(xiàng)目上持續(xù)投入了 13 年的精力，但它究竟為什么要這么做，是什么驅(qū)使它投資一個(gè)理論上可能需要花費(fèi)數(shù)十年才能見成效的項(xiàng)目呢?答案就埋藏在此次《麻省理工科技評(píng)論》對(duì) Sundar Pichai 的獨(dú)家專訪中，以下便是此次訪談的內(nèi)容：

麻省理工科技評(píng)論：根據(jù)論文，谷歌目前已經(jīng)在特定運(yùn)算上實(shí)現(xiàn)了“量子優(yōu)勢(shì)”，勝過了經(jīng)典計(jì)算機(jī)，那你們離在真正意義上實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”還有多遠(yuǎn)?

Sundar Pichai：答案很簡單，我們需要一臺(tái)能容下更多量子比特且容錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)，以便運(yùn)算更復(fù)雜且通用的算法，但就像你所知道的，任何領(lǐng)域都是在一次次“突破”中從無到有，拿飛機(jī)來說，萊特兄弟當(dāng)時(shí)發(fā)明的第一架飛機(jī)僅在空中飛行了約 12 秒鐘，其設(shè)計(jì)在生活中并沒有任何實(shí)際應(yīng)用，但它確實(shí)證明了飛機(jī)的概念是可行的，在這一點(diǎn)上量子計(jì)算也不例外。

麻省理工科技評(píng)論：除了谷歌，許多其它公司也有自己的量子計(jì)算機(jī)，比如 IBM 還為人們提供了在云端使用其量子計(jì)算機(jī)的服務(wù)，但為什么它們的設(shè)備不能完成此次谷歌所成功完成的運(yùn)算呢?

Sundar Pichai：關(guān)于這個(gè)問題，我能說的只是為何谷歌的團(tuán)隊(duì)能完成這一運(yùn)算。構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)是一個(gè)極其復(fù)雜的工程，我們團(tuán)隊(duì)從晶圓和制造邏輯門開始，一層層地制好芯片，然后用 AI 技術(shù)對(duì)運(yùn)算進(jìn)行模擬，在每次測(cè)試中都一點(diǎn)一點(diǎn)地精益求精，才換來了此次的研究成果。

麻省理工科技評(píng)論：論文的結(jié)尾部分有這么一段話，“我們離實(shí)現(xiàn)具有實(shí)際應(yīng)用意義的成果僅差一種具有創(chuàng)新性的算法”，這段話我們?cè)撊绾谓庾x?

Sundar Pichai：其實(shí)量子計(jì)算真正令人興奮的地方在于，根據(jù)已有的物理理論，我們所處的宇宙在最根本的層面上遵循量子法則，因此早期的量子計(jì)算應(yīng)用能幫助我們更好地了解宇宙的工作方式，并在后來逐漸實(shí)現(xiàn)能按量子物理對(duì)分子和分子間作用進(jìn)行精確模擬，在醫(yī)學(xué)和碳排放治理等涉及化學(xué)的重要研究領(lǐng)域發(fā)揮作用，比如對(duì)哈伯法 Haber Process 進(jìn)行更為深入的研究(對(duì) Haber Process 進(jìn)行更為深入的研究將能幫助科學(xué)家找到降低化學(xué)肥料在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所產(chǎn)生的碳排放的方法，目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的施肥活動(dòng)所產(chǎn)生的碳排放占全球總量的約 2%)。

麻省理工科技評(píng)論：你覺得我們離一個(gè)能解決 Haber Process 問題的量子運(yùn)算方法還有多遠(yuǎn)?

Sundar Pichai：我認(rèn)為是 10 年左右，我們?nèi)孕枰欢螘r(shí)間來研究如何才能構(gòu)建出性能更優(yōu)的量子計(jì)算機(jī)，到時(shí)不光是 Haber Process，一臺(tái)通用量子計(jì)算機(jī)還能解決許多其它問題，比如幫助科學(xué)家們找到更為高效的電池設(shè)計(jì)方案。簡而言之就是，凡是與化學(xué)有關(guān)的地方，量子計(jì)算機(jī)都能派上用場(chǎng)，而這也正是我們?yōu)楹螘?huì)多年以來一直堅(jiān)持進(jìn)行我們的量子計(jì)算項(xiàng)目，并在未來繼續(xù)為此投資。

麻省理工科技評(píng)論：即使是在量子計(jì)算業(yè)內(nèi)，也有人認(rèn)為量子計(jì)算技術(shù)會(huì)像核聚變一樣，在未來的五十年里陷入發(fā)展停滯，為何這樣一個(gè)聽上去仿佛“深不見底”的發(fā)展之路會(huì)讓你看上去如此興奮?

Sundar Pichai：如果沒有近些年來電腦計(jì)算領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，就沒有今天的谷歌。業(yè)界遵循著摩爾定律發(fā)展，使我們能為數(shù)十億用戶提供穩(wěn)定的服務(wù)，而我們也因此將自己視為一家計(jì)算科技公司。雖然人們的看法各有不同，但我們認(rèn)為摩爾定律很快就會(huì)失效，而量子計(jì)算就是我們想在此過程中所取得的進(jìn)展之一。

麻省理工科技評(píng)論：你在 2012 年看到 AI 能從零開始自己學(xué)會(huì)識(shí)別貓的圖片時(shí)曾說，“這種技術(shù)或許在未來會(huì)擴(kuò)大發(fā)展規(guī)模，并幫助我們理解宇宙的運(yùn)行方式”，你認(rèn)為量子計(jì)算是否跟 AI 技術(shù)一樣重要呢?‍

Sundar Pichai：那是肯定的，能實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室中操控量子位并維持疊加態(tài)對(duì)我來說具有重要意義，因?yàn)槲艺J(rèn)為自然界最根本的運(yùn)行法則與量子力學(xué)有關(guān)。我們的成果打開了通往許多可能性的大門，而這是以前任何人都沒實(shí)現(xiàn)過的。

麻省理工科技評(píng)論：量子計(jì)算或許還需很長時(shí)間才能被真正實(shí)現(xiàn)，那么，你是如何在谷歌這樣習(xí)慣了高速發(fā)展的公司里對(duì)該技術(shù)保有耐心的呢?

Sundar Pichai：就像你所知的，我目前正與我們的首席硬件科學(xué)家 John Martinis 共同領(lǐng)導(dǎo)我們的量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)，我在 26 年前曾因覺得自己沒有足夠的耐心而放棄攻讀材料學(xué)的博士學(xué)位，所以我很感謝所有在團(tuán)隊(duì)中一路堅(jiān)持下來了的成員，但所有的重大科技進(jìn)展都是如此，突破都是源于數(shù)十年的辛苦研究，所以你不得不對(duì)這些最前沿的技術(shù)發(fā)展保有耐心并看的長遠(yuǎn)一些。

我之所以如此激動(dòng)，是因?yàn)橄翊舜蔚某晒@類具有“里程碑”式意義的進(jìn)展正在使該領(lǐng)域不斷進(jìn)步，這就好比從 1997 年的 Deep Blue 擊敗 Garry Kasparov，再到2016 年的 AlphaGo 擊敗 Lee Sedol，AI 技術(shù)經(jīng)歷了很長時(shí)間的發(fā)展和沉淀才最終讓世人覺得“喔，AI 技術(shù)真的起來了”，而這些突破也正是人類正在不斷進(jìn)步的體現(xiàn)之一。

拿我們自己的系統(tǒng)工程來說，從多層構(gòu)建到用于深度學(xué)習(xí)的 TPU，我們算法的運(yùn)行速度得到了質(zhì)的提升，登月也是一樣，雖然一開始乍看上去這一成就并沒什么其它的實(shí)際應(yīng)用，但其中所涉及的技術(shù)進(jìn)步都會(huì)在后來開花結(jié)果。

麻省理工科技評(píng)論：你們目前在量子計(jì)算上投入了多少資源?

Sundar Pichai：我們團(tuán)隊(duì)跟其它公司或機(jī)構(gòu)比起來應(yīng)該說是相對(duì)較小，公司對(duì)這一項(xiàng)目已經(jīng)持續(xù)投資多年，許多成果都是基于此前谷歌所產(chǎn)出的研究，公司對(duì)項(xiàng)目本身也有著長遠(yuǎn)的規(guī)劃。

麻省理工科技評(píng)論：谷歌和 IBM 在實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的做法上有什么區(qū)別?

Sundar Pichai：IBM 將其設(shè)備以云的形式開放確實(shí)很棒，這能吸引很多其他項(xiàng)目外的開發(fā)人員。我認(rèn)為我們的團(tuán)隊(duì)也一直在確保我們一直處在量子技術(shù)發(fā)展的前列，以助力實(shí)現(xiàn)真正通用的量子計(jì)算。

麻省理工科技評(píng)論：IBM 曾表示“量子霸權(quán)”一詞具有誤導(dǎo)性，認(rèn)為量子計(jì)算機(jī)并不會(huì)在所謂問題上都比經(jīng)典計(jì)算機(jī)好，二者會(huì)在未來協(xié)作解決問題，并稱谷歌對(duì)此次所取得成就有夸大其實(shí)的嫌疑，你怎么看?

Sundar Pichai：答案其實(shí)很明顯，因?yàn)闃I(yè)內(nèi)誰都知道“量子霸權(quán)”是什么意思，但此處有爭(zhēng)議的點(diǎn)在于量子計(jì)算機(jī)是否會(huì)像許多人所想的那樣取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)。我認(rèn)為這與人們之前慶祝 AI 上的進(jìn)展類似，有很多人都曾誤以為深度學(xué)習(xí)技術(shù)就是通用型 AI，這也正是我們發(fā)表成果的原因，對(duì)我們的研究進(jìn)行解釋并幫助人們更好地了解我們目前離通用型量子技術(shù)還有多遠(yuǎn)。

麻省理工科技評(píng)論：AI 技術(shù)在很多領(lǐng)域?yàn)楣雀栝_辟了新的服務(wù)內(nèi)容，如翻譯和語音服務(wù)，谷歌在云端為開發(fā)者提供工具(AI 框架 TensorFlow)，營造了一個(gè) AI 工具開發(fā)社區(qū)，并為工具開發(fā)者提供專屬芯片服務(wù)(如 TPU)來幫助開發(fā)者對(duì)工具進(jìn)行測(cè)試，谷歌對(duì)未來量子計(jì)算的規(guī)劃是否與此類似?

Sundar Pichai：那是肯定的，就拿 AI 來說，我們?cè)谡J(rèn)清深度學(xué)習(xí)這個(gè)方向前就已經(jīng)對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行投資和研發(fā)了。順便一提，你剛才所提到的谷歌 AI 應(yīng)用其實(shí)是在向全球用戶提供服務(wù)，開發(fā)者社區(qū)所開發(fā)的工具也是一樣，我們很重視 AI 技術(shù)的“民主性”，會(huì)不斷努力讓越來越多的人都能訪問并使用 AI 技術(shù)，而量子計(jì)算也是如此。

麻省理工科技評(píng)論：你覺得量子計(jì)算是否會(huì)對(duì) AI 的發(fā)展構(gòu)成影響?

Sundar Pichai：我認(rèn)為兩者間存在著很強(qiáng)的共生關(guān)系，二者都還處于早期發(fā)展階段，無疑二者將會(huì)在未來更進(jìn)一步的發(fā)展中更加互相滲透，比如 AI 可以被用來加速量子計(jì)算，而量子計(jì)算又能被用來加速 AI 算法，我認(rèn)為只有將二者深度結(jié)合才能產(chǎn)出真正的果實(shí)，并助力解決包括氣候變化在內(nèi)的許多急需解決的棘手問題。

麻省理工科技評(píng)論：你剛才提到 AI 民主化，谷歌曾在 AI 問題上引發(fā)過一些爭(zhēng)議，比如誰有權(quán)使用以及 AI 工具應(yīng)該被怎樣使用，你在處理這些爭(zhēng)議的過程中學(xué)到了什么，是否有引發(fā)一些你對(duì)量子計(jì)算技術(shù)的思考?

Sundar Pichai：在當(dāng)前階段下，及時(shí)發(fā)布成果，并確保學(xué)界內(nèi)的相互溝通非常重要，谷歌也在積極參與。我們已經(jīng)發(fā)布了全面的 AI 原則，而在你剛才提出的爭(zhēng)議領(lǐng)域，谷歌已經(jīng)在過去幾年內(nèi)就這些爭(zhēng)議發(fā)表了 75 篇研究，我們將持續(xù)堅(jiān)持并積極參與 AI 技術(shù)道德規(guī)范準(zhǔn)則的建立。

我認(rèn)為許多領(lǐng)域都需要適當(dāng)?shù)谋O(jiān)管，我們希望能在相關(guān)立法和建設(shè)工作中起到建設(shè)性作用。此外，監(jiān)管和準(zhǔn)則還需經(jīng)歷一個(gè)外部反饋的過程，考慮到這些都是會(huì)深刻影響社會(huì)發(fā)展的技術(shù)，沒有人能真正說出誰對(duì)誰錯(cuò)，解決這類問題沒有捷徑，行業(yè)必須在未來的數(shù)十年里繼續(xù)共同努力，協(xié)作發(fā)展。

麻省理工科技評(píng)論：谷歌可能會(huì)根據(jù) AI 原則不對(duì)某些特殊應(yīng)用方向開發(fā)工具，但谷歌的開發(fā)平臺(tái)卻允許人們開發(fā)任何他們想要的 AI 工具，這兩者間難道不矛盾嗎?

Sundar Pichai：AI 技術(shù)能被安全妥當(dāng)?shù)厥褂檬俏覀冏钪匾拈_發(fā)原則之一，人們會(huì)想要將 AI 用于測(cè)試及提升系統(tǒng)的安全性，這是所有新技術(shù)的特點(diǎn)，量子計(jì)算也不例外，既然量子計(jì)算能破譯普通秘鑰，就會(huì)有人開發(fā)新一代的量子加密技術(shù)，這與我們構(gòu)建了搜索引擎技術(shù)就得解決虛假鏈接問題一樣，都是相輔相成的。

麻省理工科技評(píng)論：是否還有其它的技術(shù)，讓你像對(duì) AI 和量子計(jì)算一樣十分感興趣?

Sundar Pichai：作為人類社會(huì)的一員，我認(rèn)為我們目前十分需要更為激進(jìn)和有效的清潔能源生產(chǎn)方式，而我也對(duì)所有這些新興技術(shù)怎樣結(jié)合有著濃厚的興趣。在醫(yī)療保健領(lǐng)域，我認(rèn)為我們將在未來十年內(nèi)迎來重大突破，設(shè)想未來的醫(yī)療系統(tǒng)和手段會(huì)怎樣基于成熟 AI 算法變得更高效，也同樣能令我激動(dòng)不已。

開發(fā)新技術(shù)所伴隨的風(fēng)險(xiǎn)斷然是高的，但對(duì)于其中的一部分，我們或許能通過采用“正確的發(fā)展道路”來避免，而能幫助我們實(shí)現(xiàn)這一效果的途徑就是全球管理統(tǒng)一化和詳盡的道德協(xié)議。我們明白，對(duì)于我們所開發(fā)出的技術(shù)，我們不僅需要對(duì)它們負(fù)責(zé)，更要用這些技術(shù)來維護(hù)全球安全并助力民主發(fā)展，在這一點(diǎn)上，我們會(huì)與其它組織和機(jī)構(gòu)共同努力。