Google量子運算突破登上《Nature》熱議,風光背後是長達13年的賽跑
Google量子運算突破登上《Nature》熱議,風光背後是長達13年的賽跑

Google突破一小步,人類科學一大步。

這個突破經由CEO-皮查伊(Sundar Pichai)親自官方宣布、論文登上Nature150週年紀念特刊、各大主流媒體頭版頭條、熱度全網第一,甚至連川普的大女兒伊凡卡都忍不住第一時間發出賀電:

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圖/ 愛范兒

官方宣布。美國實現了量子霸權!

沒錯,就是那個量子運算200秒=地球最強超算1萬年的突破,現在Google以最隆重的形式對外官方宣布,超過電腦識別貓、蓋過AlphaGo橫空出世。

而且Google CEO還難掩激動地介紹,這就像飛機最初被發明的時刻——萊特兄弟的飛機第一次只飛了12分鐘,但它證明了飛機飛行的可能性。

這是一個歷史性時刻,Google也首次透露,已經為此埋頭攻堅了13年。

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圖/ 愛范兒

量子優越性首次實現

Quantum Supremacy,伊凡卡口中的「量子霸權」,Google更傾向於翻譯為量子優越性。

直白來說,量子優越性就是在未來的某個時刻,功能強大的量子電腦可以完成經典電腦幾乎不可能完成的任務。

比如在一天之內破解原本幾萬年才能破解的密碼、實現通用人工智慧、快速模擬分子模型。

此前對於這樣的里程碑突破都處於設想階段,從未被實現。

但一個月前,Google的論文草稿,「意外」在NASA官網發布,結果非常震撼,稱200秒的量子運算實現了最強超算1萬年的結果。

但不料論文匆匆下架,反而引起更大關注。

當時輿論炸了鍋,有認為Google淪為「神棍」唬弄大眾的,也有認為出於美國國家安全被下架……

更有競爭對手直接攻擊,IBM就甚至專門發表了一篇論文,質疑Google「誤導大眾」。

而現在,論文正式在Nature上發表,Google CEO-皮查伊驕傲官方宣布Google AI團隊實現了量子優越性,還在部落格中強調:

就像第一枚火箭成功地脫離地球引力,飛向太空邊緣。這一突破向我們展示了什麼是可能的,並把看似不可能實現的事物推到了我們面前。

這就是這一里程碑對量子運算世界的意義:一個充滿可能性的時刻。

皮查伊還說,Google為此已經努力了13年。並且一度因為進展有限而沮喪。

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圖/ 愛范兒

在量子運算上,Google的攻堅從13年前開始。

2006年,Google科學家-聶文(Hartmut Neven)開始探索一個新的idea——用量子運算來加快機器學習的速度,並催生了Google AI量子團隊。

接著2014年,美國物理學會院士-馬丁尼斯(John Martinis)加入了Google,擔任Google量子硬體首席科學家,領導構建量子電腦的工作。

兩年後,量子運算理論首席科學家-博伊索(Sergio Boixo)在Nature Communications上發表了相關論文,最終將團隊的工作重點聚焦到了量子優勢性運算任務上來。

這是一場科技研究的馬拉松,一切都從零起步。即使對於Google的明星團隊來說,這樣的工作也一樣是巨大的挑戰。

實際上,在去年10月之前,Google在量子優越性方面的進展始終有限。

然而萬萬沒想到,2018年10月加州野火撲不滅,出於安全考慮,Google不得不短暫關閉位於聖克拉拉的實驗室,一眾科學家也被迫休假。

但就在這期間,反而催生出新思路,然後實現了真正的躍遷。

皮查伊還感慨,量子運算並非明確性的未來,要相信並堅定認為能實現,並不容易。

但Google內部始終相信,量子運算可以加速解決世界上一些最緊迫的問題。量子運算能為人類在分子尺度上理解和模擬自然界提供前所未有的良機。

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圖/ 愛范兒

皮查伊還說,量子運算將是對人們在經典電腦上所做工作的偉大補充,量子給運算帶來了一個完整的循環。

不過,即便現在里程碑時刻已經到來,皮查伊也提醒說,這只是證明方向可行性,還不是馬上大規模商用發揮效用的時刻,我們需要繼續攻堅,需要繼續砥礪前行。

無意的洩露

就像開頭說的,Google這項量子優越性的研究,在Nature發表之前,就在NASA官網短暫出現過。

那麼問題來了,為什麼是NASA發布?為什麼上架不久便撤回了呢?

根據《金融時報》報導,Google去年已經和NASA展開合作,並立下flag:2019年實現量子優越性,就是讓量子電腦的運算能力遠超經典電腦,完成經典電腦做不到的運算。

計劃是把量子電腦上運行的結果,與經典仿真(在經典電腦上模擬量子電路)進行比較。

雙方合作用的量子晶片叫Bristlecone,有72個量子位元。Bristlecone必須把超導電路維持在絕對零度附近,所以沒法搬離Google的實驗室,NASA研究人員只能透過Google雲端API遠程連接晶片。

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圖/ 愛范兒

按照約定,雙方2019年初在NASA最強的超級電腦Pleiades上對運行仿真所需的軟體進行編碼,並在今年7月,比較量子電路仿真和Google量子電腦硬體的結果。

Google和NASA一直持樂觀態度,但業界也有人認為這個flag要倒。阿里巴巴數據基礎設施和搜索技術部門的研究人員發表了一篇論文,認為要實現量子優越性可能需要錯誤率更低的量子晶片。

南加州大學量子訊息科學與技術中心主任-利達(Daniel Lidar)也對此表示懷疑。他在麻省理工科技評論時說:「(實現量子優越性)似乎還需要其他方式抑制錯誤。」

如果通過了同行評審,就意味著flag沒有倒,且量子運算將進入一個新的時代。

那為什麼NASA發布論文不久便撤回了呢?

《財富》雜誌報導說,那時研究成果還沒有經過完整的同行評審。

如今只過了一個月,論文便登上了Nature,可信度大大提升,量子運算的新時代真正到來。

所以具體論文內容是什麼?

論文詳解

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圖/ 愛范兒

在撤回論文一個月後,Google終於將論文發表在了《Nature》上。

Google在論文摘要中說:

我們使用具有53個超導量子位元的可編程處理器,佔用狀態空間為253≈1016。重複實驗的測量結果會採樣相應的概率分佈。

經典電腦中的位元只能處於0或者1兩種狀態 ,而薛定格貓告訴我們,貓可以處於死和活兩種狀態的疊加,量子位元也一樣,能同時處於0和1兩種狀態。

1個量子位元只能表示2個狀態,2個量子位元就能表示4個狀態,4個量子位元就能表示8個狀態,以此類推。

由於量子力學中物體的狀態正是在這種疊加狀態空間中演化,再加上不同量子位元之間的耦合,就可以模擬出更多的狀態。

因此只需53個量子位元就可以模擬1016種狀態,而這個數字已經超出了當今超級電腦的運算能力。

說完了量子電腦的基本概念,下面我們看一下Google量子電腦的硬體。

Google把這個實現量子優越性的量子處理器叫做「Sycamore」。它由54個transmon量子位元的二維陣列組成,每個位元與周圍的4個位元相耦合。

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圖/ 愛范兒

上圖展示了Sycamore處理器的佈局,包含54個量子位的陣列(以灰色×表示),每個矩形都透過耦合器(以藍色方塊表示)連接到其四個最近的近鄰。

整個處理器的外觀和普通的CPU晶片非常相似。

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圖/ 愛范兒

該處理器使用鋁製造,實現了低溫超導中的約瑟夫森效應,並使用銦製造兩個矽晶片之間的凸點。晶片被引線連接到到超導電路板上,並在稀釋製冷裝置中被冷卻至20mK以下。

這一溫度只比絕對零度高百分之二度,之所以要如此冷,是為了將環境熱能降低到低於量子勢能,防止外界熱量對量子處理器的干擾。

處理器透過濾波器和衰減器連接到室溫電子設備,後者可合成控制信號。所有量子位的狀態可以透過同時利用頻率復用的技術來讀取。

為了完全控制這個量子處理器,Google還精心設計了277個數模轉換器。

那麼Google,用量子力學原理,和這樣一個超級複雜的量子硬體解決了什麼問題呢?

恰恰是一個經典運算所不善於解決的量子電路採樣問題,在這個問題上,經典電腦的運算能力顯得捉襟見肘了。

量子電腦上每次運行隨機量子電路都會產生一個位串,例如0000101。由於量子乾涉,就像激光在透過狹縫後形成的散斑一樣,進行重複多次實驗時(採樣),某些位串比其他位串更容易出現。

然而,隨著量子位元的數量n(寬度)和門循環數量m(深度)的增加,用經典電腦為隨機量子電路找到最可能的位串變得越來越困難。

在實驗中,Google首先運行12到53量子位元的隨機簡化電路,保持電路深度恆定。

驗證系統正常運行後,Google運行了53量子位元且深度不斷增加的隨機硬電路,當深度m增加到20時,經典仿真變得完全不可用。

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圖/ 愛范兒

在量子處理器上獲得一百萬個樣本需要200秒,而在一百萬個內核上進行相等保真度經典採樣將花費1萬年,而對保真度的驗證將花費數百萬年。

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圖/ 愛范兒

Google在論文中只是展示了量子電腦的一種應用,未來可以用它來解決包括量子物理學和量子化學模擬在內的問題。

量子運算的突破,還能促成機器學習的新應用,加速解決世界正在面臨的一些最緊迫而復雜的問題。比如氣候變化的模擬,比如探究哪一些分子能夠製造更有效的藥物。

IBM不服,指控Google唬弄

有很多科技公司都在從事量子電腦的研究,其中就包括IBM、微軟等傳統IT巨頭,也有阿里巴巴這樣的網路公司。

就在Google正式公佈論文的前一天晚上,IBM選擇了和Google硬碰硬。

這位藍色巨人說,Google關於量子優越性的說法是有缺陷的。因為Google實際上是在沒有充分利用超級電腦的全部能力的情況下進行競爭的。

對此,Google不予置評。

IBM的話通俗地說,就是Google調整了baseline。

Google原本在論文中,他們的量子電腦只需200秒就解決了原本超算需要1萬年才能解決的問題。但IBM表示,實際上這個問題並沒有Google宣傳的那麼難,如果有時間進行優化和改進,那麼超算只需要2.5天就能解決該問題。

雖然這個時間仍然比量子電腦所需的長得多,但是遠遠沒到遙不可及的地步。

在IBM看來,所謂的量子優越性是要做到經典電腦無法做到的事情,而Google顯然沒有做到這一點。

IBM的量子運算研究員甘貝塔(Jay Gambetta)說,公司不是為了與Google對抗,而是為了避免將「量子優越性」一詞過度宣傳。

也有人認為,Google是否實現量子優越性並不重要,IBM與Google的爭吵誰對誰錯也不重要。

重要的是在這些巨頭的競爭之下,量子運算技術正在以超乎我們想像的進程飛速發展。

兩位首席科學家牽頭

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圖/ 愛范兒

博伊索是GoogleAI量子實驗室的量子理論首席科學家,也在南加州大學電氣工程系任教。

他的研究領域是玻色–愛因斯坦凝態、量子資訊、量子運算、量子通訊等,目前已在他的領域發表了84篇論文,總計被引用3,259次。

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圖/ 愛范兒

來自GoogleAI量子實驗室的馬丁尼斯,是量子硬體首席科學家。他曾是美國國家標準暨技術研究院(NIST)的院士,也是美國物理學會的院士,目前也在加利福尼亞大學聖塔芭芭拉分校工作。

馬丁尼斯畢業於加州大學柏克萊分校,並在那裡他獲得了兩個物理學學士和博士學位。

之後他加入了NIST,在此期間,他還發明了串聯陣列超導量子干涉儀(SQUID)放大器。

1993年,他開始著手建立基於超導感測器和串聯陣列SQUID的高分辨率X射線微熱量計。這項工作已經發展到包括在X射線微分析和天體物理學以及光學和紅外天文學中的應用。

在2010年,他被授予「年度科學突破」獎,原因是他首次證明了機械振盪器系統中的量子態。

2014年,他被授予倫敦超導量子位元低溫物理學研究獎,同年加入Google領導量子硬體的研究工作。

One more thing

最後的最後,在這歷史性時刻,讓我們用皮查伊接受MIT科技評論專訪的一些回答來結尾吧:

我對這樣的里程碑時刻備感興奮,但確實也要提醒大家,這只是一個可能性被驗證的開始,距離真正的大規模變革還需要很長時間——甚至是10年,但我們可以為科技發展的速度感到樂觀。

當我們回顧深藍1997年擊敗卡斯帕羅夫、AlphaGo在2016年擊敗李世乭,或許突破所需的時間不算短,但當這樣的時刻到來,就會有更多人投入其中、加入其中,我們人類就是這樣進步的。

而且當前如此令人興奮,我們正處在時代性技術週期裡,AI會加速量子運算,量子運算也會加速AI,人類遭遇的那些大挑戰、大難題,現在有解決的機會了。

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1.Google部落格
2.論文原文
3.IBM論文

本文授權轉載自:愛范兒

責任編輯:陳映璇

關鍵字: #量子運算
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#0 AI 改寫外貿規則!Alibaba.com 用 AI 助台灣中小企業提升跨境獲客力
Alibaba.com 台灣總經理 廖羿琦
圖/ 數位時代

高效佈局,偉盛豐貿易以 Alibaba.com 成功擴展外貿市場

偉盛豐貿易長期深耕泵用閥件與 DC 循環扇市場,隨著第二代接班,公司也開始面臨新的經營課題:疫情衝擊全球供應鏈、台灣內銷市場逐漸飽和,加上通膨、貿易戰與地緣政治等因素,使企業必須重新思考成長動能。

為尋找新的營收來源,偉盛豐貿易王珮馨決定積極布局外貿市場,目標是直接與海外企業客戶建立合作關係,進一步掌握市場需求與訂單結構。

偉盛豐貿易一開始是透過參加國際展會拓展海外市場,但成本高、效益有限。「直到加入 Alibaba.com 後,才真正打開跨境市場。」王珮馨表示,短短一年的時間,偉盛豐貿易與來自美國、義大利與新加坡等六個國家的客戶建立合作關係,甚至在產品單價高於同業約七倍的情況下,仍成功拿下義大利與美國的貨櫃訂單。

背後的關鍵之一,是 Alibaba.com 提供的 AI 生意助手。她表示:「將產品知識庫與技術資料導入 AI 生意助手後,系統便能依照產品規格與應用場景,自動回覆海外買家的 RFQ 詢盤,就算我在休息的時候,AI 仍在替公司接單,而且是用客戶熟悉的語言回覆,等到我隔天上班後再接手處理客戶的進階問題,整體接單效率大幅提升。」

例如,面對美國芝加哥並重視ESG議題的客戶詢問:為何偉盛豐提供的 2.9W DC 循環扇售價高達 156 美元、幾乎是市售產品的七倍,王珮馨的做法是先查詢芝加哥的電價資料,再透過 AI 生意助手生成產品應用場景圖與競品耗電分析表,從「整體持有成本(TCO)」角度說明產品節能優勢,成功說服客戶,取得40呎貨櫃訂單。

王珮馨說:「至於來自義大利的食品加工廠客戶,也是因為 AI 生意助手即時回覆產品規格,了解我們提供的泵浦閥門可在不更動既有設備管線的情況下直接替換使用,因此決定採用該產品並建立長期合作。」對偉盛豐而言,AI 生意助手不只是平台工具,更像是全天候運作的「跨境電商店長」,不僅降低外貿經營門檻,也有益於偉盛豐貿易將隱形冠軍產品推向全球市場。

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偉盛豐貿易 王珮馨
圖/ 數位時代

善用 AI 工具,加樂實業以 Alibaba.com 維運 70% 外貿營收

深耕建築五金市場的加樂實業,也高度肯定 Alibaba.com 在其拓展全球市場過程中的重要角色。加樂實業總經理王拓白表示,公司早在 19 年前便開始使用 Alibaba.com,隨著 Alibaba.com 台灣在地團隊成立,不僅協助加樂實業更有效掌握平台功能,也透過多元課程與培訓活動協助提升跨境電商經營能力,讓公司能以更有效率的方式推動外貿業務,同時將管理工作負擔降低約 50%,員工流動率也減少約 20%。

王拓白指出,加樂實業長期以外貿市場為主要營收來源。過去公司主要透過參加國際展會拓展客戶,一場展覽平均可取得近 70-100 個潛在客戶名單;但在加入 Alibaba.com 後,每月至少能收到超過 350 筆客戶詢問,不僅大幅提升商機來源,也成功培養出年貢獻「億元級」營收的客戶,並將業務版圖拓展至《財富》500 大企業與全球安防領先品牌。

舉例來說,2016 年,加樂實業透過 Alibaba.com 接觸到一名來自澳洲的客戶,最初訂單僅 50 件產品,但在長期合作與信任累積下,訂單量逐年增加,如今已成為公司最大客戶之一,單一客戶一年貢獻營收突破億元。

隨著跨境電商經營的逐漸成熟,加樂實業的外貿結構也出現顯著轉變:過去外貿營收幾乎 100% 來自展會客戶,如今已有高達 70% 的外貿營收來自 Alibaba.com,顯示平台已成為加樂實業拓展全球市場的重要管道。

雙方長期建立的合作默契與信任,也讓加樂實業得以率先導入 Alibaba.com 的 AI 工具並取得實際成效。王拓白以 OKKI CRM 為例說明:「曾有一位合作長達 15 年的客戶訂單突然下滑,我們透過客戶數據分析發現對方開始向其他供應商採購,進一步拜訪後才了解,客戶因為更換經營團隊,產品策略從高階市場轉向平價市場,我們隨即調整產品規格與報價策略,逐步把訂單爭取回來。」

#2 AI 改寫外貿規則!Alibaba.com 用 AI 助台灣中小企業提升跨境獲客力
加樂實業總經理 王拓白
圖/ 數位時代

此外,加樂實業也透過 OKKI AiReach 進行自動化商機開發:只需輸入相關條件,系統便能自動搜尋並篩選潛在客戶名單,在一個月內,挖掘出 748 名潛在客戶並自動發送產品資訊,成功與俄羅斯、美國、杜拜與澳洲等市場的 5 家企業展開合作洽談。

「AiReach 挖掘出的客戶輪廓相當精準,是我們鎖定的進口商與品牌商,因此能大幅提升陌生開發的效率與成交率。」王拓白表示,Alibaba.com 與 AI 工具不僅讓團隊成員可以高效完成跨境電商營運、深入了解市場與客戶動態,更重要的是,可以化被動為主動的布局全球市場,未來將持續深化應用雙方合作與平台工具應用。

偉盛豐貿易跟加樂實業不是特殊案例,Alibaba.com 除持續優化產品服務,更積極協助台灣中小企業跨越全球外貿市場布局門檻,讓其可以更便利且精準的方式提升外貿接單力,創造生態夥伴的共贏。

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