題:
為什麼Google的量子至上實驗令人印象深刻?
Bridgeburners
2019-10-30 21:44:39 UTC
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在Google發表的 Nature論文中,他們說,

為了證明量子至上性,我們在對偽隨機量子電路的輸出進行採樣的任務中,將我們的量子處理器與最新的經典計算機進行了比較。隨機電路是基準測試的合適選擇,因為它們不具有結構,因此有限地保證了計算硬度。我們設計電路,通過重複應用單量子位和兩量子位邏輯運算來糾纏一組量子位(量子位)。對量子電路的輸出進行採樣會生成一組位串,例如{0000101,1011100,…}。由於量子乾擾,位串的概率分佈類似於激光散射中光干擾產生的斑點強度圖案,因此某些位串比其他位串更容易出現。經典地,隨著量子位的數量(寬度)和門週期的數量(深度)的增長,計算這種概率分佈的難度成倍增加。

因此,據我所知,他們將自己的量子位配置為偽隨機生成的電路,運行該電路時,會將量子位放入狀態向量,該狀態向量表示 $ 2 ^ {53} $ span>個量子位的可能狀態,但這種分佈很難計算,甚至無法通過經典計算機模擬通過採樣進行估計。但是他們在多次運行電路後通過“查看”量子位的狀態對其進行採樣。

不僅僅是創建一個輸出難以計算的系統,然後通過簡單地觀察系統輸出來“計算”它的示例嗎?

這聽起來像是在說:

如果我將這個布丁杯灑在地板上,它將形成的確切圖案非常混亂,並且任何超級計算機都難以計算。但是我剛剛發明了一種新型的計算機:布丁杯。我將通過將其灑在地板上並觀察結果來進行計算。我已經實現了布丁的霸主地位。

顯然一點都不令人印象深刻。在我的示例中,我正在執行“計算”,這對於任何經典計算機來說都是很難的,但是沒有明顯的方法可以將該方法推論到任何實際有用的東西上。為什麼Google的實驗與眾不同?

編輯:在這裡,我的直覺很詳盡,我認為經典計算機給人留下深刻印象的是它們模擬 other 系統的能力,而不僅僅是他們自己。在建立經典電路時,我們要回答的問題不是“一旦我們通過該電路,哪個晶體管將被點亮?”我們想回答諸如“ 4 + 1是什麼?”之類的問題。或“仙女座星係與銀河系碰撞時會發生什麼?”如果讓我看到一台經典計算機“預測”當有電流流過時哪個晶體管會點亮,那麼對我來說,我們將更接近回答有趣的問題了。

你幾乎釘住了情況
不同之處在於Google的計算機可以在他們想要的任何電路上運行,但是您沒有這樣的選擇來浪費布丁。那是計算機和金屬塊之間的根本區別-可編程性。
我的理解是,他們使用“隨機電路”對其進行了編程。它可以根據您的需要繼續根據該電路進行採樣。這也是一台可編程計算機,他們剛巧編寫了此任務,因為眾所周知這很困難。
[相關SMBC](http://www.smbc-comics.com/comic/2013-07-19)...
因為這是第一個可編程QPU!
[有關量子計算的相關問題。SE](https://quantumcomputing.stackexchange.com/questions/tagged/google-sycamore?tab=Votes)
@AgniusVasiliauskas您不能半按A鍵,這沒有道理!
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布丁是至高無上的,發現它的溢出物看起來確實是什麼樣。特別是我的布丁杯。
五 答案:
knzhou
2019-10-30 22:17:32 UTC
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為了在此闡述我的直覺,我認為經典計算機“令人印象深刻”的是它們模擬其他系統的能力,而不僅僅是他們自己。在建立經典電路時,我們要回答的問題不是“一旦我們通過該電路,哪個晶體管將被點亮?”我們想回答諸如“ 4 + 1是什麼?”之類的問題。或“仙女座星係與銀河系碰撞時會發生什麼?”

這裡沒有真正的區別。量子計算機和經典計算機都只做一件事:計算某些電路的結果。傳統計算機從根本上不了解 $ 4 + 1 $ span>的含義。取而代之的是,按照古典物理學定律的要求,電流流經各種晶體管。然後,我們讀取這些位的最終狀態,並將其解釋為 $ 5 $ span>。

在這兩種情況下,真正的區別在於您是否可以編程。例如,一個簡單的四功能計算器是一個包含許多晶體管的經典系統,但是它可以計算的特定事物是完全固定的,這就是為什麼我們不將其視為經典計算機。布丁是一個包含大量量子位的量子系統,但它除了做布丁外無能為力,因此它不是量子計算機。

Google可以控制在量子電路中應用的門,就像加載其他程序可以控制在經典CPU中應用的門一樣。就是這樣。

那麼,說這作為工程壯舉給人留下深刻的印像是正確的嗎?具體來說,他們表明他們可以建立一個53位的量子電路,並對其進行快速採樣。但是為了推斷我們可以進行令人印象深刻的計算,我們必須相信,存在理論上的53量子位算法可以完成傳統計算機無法有效完成的重要計算。這是解釋它的正確方法嗎?
令人印象深刻的是,我們可以在量子計算機上輕鬆解決任何問題,而在傳統計算機上則無法解決。在《紐約時報》上引用斯科特·亞倫森的話說:“計算並不需要有用:就像1903年的賴特傳單(Wright Flyer)或1942年的恩里科·費米(Enrico Fermi)的核連鎖反應一樣,它只需要證明一點即可。”
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但是你能吃掉你的量子計算機嗎?
但是,無論您對經典計算機的編程水平如何,它都無法在有限的步驟中解決旅行商問題等問題,而量子計算機可以在第一步中(簡單地)解決問題-*如果*您可以管理問...
@StianYttervik事實並非如此。旅行商問題是NP完全問題,因此經典計算機當然可以解決。而且,在量子計算機上解決NP完全問題的最著名算法僅比經典計算機快。
增加再現性。他們可能會一遍又一遍地灑布丁,並得到相同的結果(達到採樣精度)。在現實世界的布丁溢出中,您每次都會得到不同的溢出
NP完全問題的問題不是*不是“不可解決的”,而是*難以處理的*。就是說,問題輸入量的微小增加導致在計算計算解決方案的運行時間上,字面上的指數增長(或更糟)。
@RBarryYoung您的意思是“比指數更糟”,指數將“就好”,幾乎...旅行推銷員需要將指數乘以n的平方。
@StianYttervik這是非常“錯誤的”:旅行商問題是任何傳統計算機都可以解決的。可以通過“有限數量的步驟”和有限的時間來解決。所需的“步驟數”是已知的,並已通過數學證明。它花了很長時間,因為它需要很多步驟。對於任何其他NP完整問題,該問題相同。非常重要的是,我們所討論的都是“有限”的步驟。(還有其他一些事情,即使想到這一點,我的大腦也會感到疼痛)
@chris和Volker Mea culpa,我對無法勝任的部分頗有想法,關鍵是對於一台量子計算機,它可以一步一步完成,如果您能夠成功地安排系統,這將是“簡單”的-與傳統計算機相比問題變得十分複雜。所以可以肯定的是,當代作品中有很多令人興奮的事情,尤其是在如何為集群編程方面
@StianYttervik不,它不能。在BQP中甚至不知道旅行推銷員問題-在最著名的算法下,即使在量子計算機上,它也無法在多項式時間內完成。例如,請參見[此答案](https://cstheory.stackexchange.com/a/31085/55167)。NP完全問題的量子加速僅僅是二次的,基本上將$ 2 ^ N $的步長提高到$ 2 ^ {N \ over 2} $。因此,花費指數時間的問題仍然花費指數時間。
@PasserBy是的,您可以,您的問題並未詢問您是否會死。
@William您缺少重要的部分:它的皮膚會好吃嗎?
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@tparker哦,謝謝您的澄清-顯然,它不是一個精確的好地方。
@VolkerSiegel對不起,我之前錯過了它……但是,NP-Complete並不一定*“比指數*更糟糕”。存在一些NP完全問題,例如[Change-Making問題](https://en.wikipedia.org/wiki/Change-making_problem),絕對可以在僅指數時間內解決。但是,所有NP完全問題都是*至少* O(n ^ k * 2 ^ n),其中* k *是某個常數(包括零)。
tparker
2019-11-01 05:29:22 UTC
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量子至上實驗與您的布丁實驗之間的最大區別是,量子至上實驗解決了一個明確的,恰當的數學問題。儘管人們有時將計算任務描述為“模擬物理Sycamore計算機”,但這是不對的。實際任務是計算抽象量子邏輯電路的輸出,其中Sycamore計算機是近似物理實例。差異是微小的,但至關重要。從計算角度來看,數學排在第一位,物理排在第二位。

至關重要的是,量子至上問題在數學上得到了很好的說明,因此可以在經典計算機上進行檢查。並行經典計算不僅提供時間基準,而且-重要的是-檢查量子計算的準確性

布丁實驗沒有這樣的“慢但等效”的計算。在布丁實驗中,您需要確切說明要解決的兩個問題中的哪一個:

  1. 模擬將普通布丁杯從桌子上敲下來將產生的圖案。
  2. 模擬如果您將桌子上的特定布丁杯敲掉會產生的圖案(您在其中指定足夠的詳細信息以準確確定初始條件以模擬其跌落)。
  3. ol>

    第一個變體顯然未得到充分說明,也沒有唯一的答案。第二個變體原則上確實有一個唯一的答案,但是至關重要的是,實際上您實際上無法捕獲有關初始條件的所有必要細節。因此,這兩個變體實際上都不能被視為一個數學上合理的問題。

    在量子至上實驗中,要解決的抽象問題(正在解決抽象邏輯電路,不是模擬物理硬件)非常簡單,足以使您可以(非常緩慢地)解決它完全可以在經典計算機和量子計算機上使用。

謝謝!我試圖考慮另一個數學上明確規定的問題的示例,該問題可以用不同的系統比使用經典計算機更快地解決(即使該系統旨在物理上表示該數學問題),但我想不出一個。您是否會說這是這種事情的第一個歷史例子?
@Bridgeburners嗯,很難說,因為答案將嚴格取決於您如何定義“經典計算機”和“不同系統”。平面儀,積分儀,球盤積分器和差分分析儀在哪裡?另外,您是指2019古典計算機還是歷史古典計算機?
@Bridgeburners但在最抽象的理論層面上,我相信Sycamore之前建造的每個計算設備都可以使用古典物理學來有效地描述,因此我相信Sycamore是人類歷史上第一個可以實際解決大型實例的設備屬於計算上易處理的經典複雜度類之外的問題。
至關重要的是,谷歌的計算機實際上是一台計算機。您可以在其上運行程序併計算結果。你不能用水坑做到這一點。
這麼好寫!謝謝!
Andrew Steane
2019-11-01 19:14:04 UTC
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我與他人合作成立了一個實驗研究小組,除其他外,我們在其中開發了控制量子位的能力,以便(一天)進行量子計算。在我們的實驗室中,我們擁有最精確的量子位和運算,但是我們一次只能執行(或嘗試執行)兩個或三個位。部分原因是我們對問題的其他方面產生了興趣,部分原因是,如果我們要在實驗中放入十個或更多的量子比特(這很容易做到),我們​​只會復制小規模的電路,而不是了解如何構建大型計算機。

我想說Bridgeburners提出的問題是很好的問題,它正確地描述了Google計算的局限性。但是,可以從實驗的角度來看Google的結果,然後,它的確給人留下了深刻的印象。

從實驗的角度來看,Google的成就是他們對包含53個量子位的電路進行了充分的實驗控制,使其可以生成涉及所有或大部分量子位的糾纏態,從而使狀態保真。在狀態可以通過某種方式測量之前,不會立即丟失。我們今天肯定無法在我們的實驗室中實現這一目標。如果我們全力以赴做同一件事,我認為這將帶給我們 一年或更長時間,以所需的精度對我們的實驗設備進行所需的擴展。因此確實非常令人印象深刻。 (與此同時 使用我們的離子捕獲方法,我們還可以完成Google機器無法完成的工作。)

現在來看不久的將來,有兩種主要技術顯示出對量子計算的希望。這些是被限制在高真空中的原子離子,以及Google所採用類型的超導電路。幾年前,進行了一次粗略的“競爭”,其中涉及的計算僅需要10個左右的量子位,而捕獲離子方法之所以獲勝,是因為它們可以利用其量子位的更大互連性以及操作和測量中的良好總體精度。 。如果現在要舉行這樣的競賽,則不清楚哪種技術會獲勝。尚不清楚哪種方式可以完全控制50個量子位,以實現通用計算,並回答人們真正想知道的問題(與計算機科學抽象相對),這是更好的選擇。但我認為,很明顯,這一階段將通過任何一條或兩條道路都將達到,而且這將發生在數年而不是數十年的時間範圍內。約翰·馬丁尼斯和他的同事所做的工作表明,超導電路方法是一個非常有力的競爭者,他們在克服許多嚴峻的技術挑戰方面表現出了卓越的專業知識和精通能力。

很好的答案,安德魯。您說“這個階段……將發生在數年而不是數十年的時間範圍內”。您認為幾年後會發生哪種通用計算?我想知道這些實驗的實用性,以及什麼時候有人能夠推銷“有用”的東西?
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Dast
2019-10-31 15:24:12 UTC
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(單獨)與布丁計算機沒什麼不同。


但是,上下文非常重要。它們是某些有用的問題,我們知道如何在量子計算機上比經典計算機更快地解決問題。 那些問題遙不可及,而且可能在10或20年後仍無法解決(我比大多數人更悲觀,也許太多了)。

與此同時,世界各地成千上萬的人正在研究許多不同的量子計算機思想,例如Google和IBM等超導思想,以及具有量子點,下轉換源或氮空位中心的各種光學思想。 / p>

這些不同的社區所使用的計算機使用的硬件完全不同,因此很難相互比較。 Google的這一結果表明了以下幾點:(1)表明他們正在取得一些進展。 (2)與其他方法相比,它是“炫耀”他們的表現。例如,光學人員仍約為8量子位,而超導材料仍為53位。這不是一個有用的比較(兩台機器相差太大),但這不會阻止人們炫耀。

真正的故事不是“量子至上”,而是它們有一個53量子比特電路,似乎有時會工作一半。 (這是光學人們欣喜若狂的地方,他們的東西具有較少的qubit,但實際上大多數時候都可以工作。)為了“出售”這台機器,這是有趣的一步,需要做一些有用的事情,它。

Thaina
2019-11-14 10:44:21 UTC
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如果我將這個布丁杯灑在地板上,它的確切圖案會 形式非常混亂,任何超級計算機都難以處理 計算。但是我剛剛發明了一種新型的計算機: 布丁杯。我將通過將計算結果灑到 並觀察結果。我已經實現了布丁的霸主地位。

你是對的。但是只有一半的故事

另一半是,這種布丁溢出圖案也可以用於解決數學問題,這是非常有用的,並且是常規非布丁系統無法解決的。也可以對其進行控制,以使其確定性地隨時解決同一問題。如果您的布丁溢出可以做到這一點,那麼它將獲得超越傳統計算機的至高無上的標籤

重點是我們需要通過盡可能有效的任何方法來解決問題,如果溢出的布丁是完全有效的解決方法,它將佔統治地位,我們將建立一個布丁機器和布丁工廠來解決問題

現在,將 pudding 替換為 quantum



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