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台湾王孟源文章:【基础科研】Google的量子霸权是怎麽回事?

日期:2019-11-14 11:19:49 人气: 标签:大连 律师
导读: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…

  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”)是怎麽一回事?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,我们先解释一下什麽是“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)的量子位元串列,其间可能有各式各样的量子纠缠,然后不断复制这个串列,再让复制版塌缩形成长度为N的古典位元,那麽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)。这有什麽用呢?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)串列。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列,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,接着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衆,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,那麽自然更加没有什麽崇敬的必要。

    ——以上由大连律师转帖



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