以2的冪的冪的速度增長?量子計算機的運算能力將會有多恐怖?

2020-12-12 科學小哨

摩爾定律是一種推測,認為同樣的價格買到的電腦的性能,每隔2年會翻一倍以上。很明顯幾十年來計算機的性能確實以這種趨勢增長。也有一些人表示對莫爾定律失效的擔憂,比如日本物理學家加來道雄在2012年稱,計算機性能在10年內可以保持持續生命力,但在2025年之後,由於矽材料技術的限制,要面臨高溫和漏電的難題,將會無法承受指數級增長的運算。莫爾定律一旦失效,什麼計算機才能更高速的處理人類愈加複雜的運算要求?量子計算機來了,它的運算似乎可以用指數的指數級增長來形容,即2的冪的冪的速度,這將是人類處理信息顛覆性的手段。

前段時間,谷歌人工智慧量子實驗室的主任科學家Hartmut Neven提出了關於量子計算的「Neven 定律」:如果說傳統計算機遵循摩爾定律,運算能力以指數級增長,那麼量子計算機的運算能力會以相對傳統計算機的指數的指數級增長,即雙重指數增長。這種說法簡直超乎人的想像,就連在我們生活的自然界中也難以找出這樣增長的例子。數量級以2的冪次方增長已經讓人驚嘆,但以2的冪的冪來形容,量子計算機的運算能力將是堪稱恐怖的存在!

這個定律是Hartmut Neven根據自己實驗室裡量子處理器的變化過程總結得出的。去年12月份,他們進行的量子處理器的運算還可以通過普通筆記本電腦來重新算一次,但是僅僅過了1個月,他們進行了能力更強的量子運算後,卻只能通過性能非常強大的臺式計算機來重新算一次,又過了一個月,龐大的谷歌公司已經沒有任何一臺計算機能重複計算過程了,於是他們不得不申請用伺服器網來重複。

「剛開始似乎沒什麼區別,但是僅僅一眨眼的功夫,你似乎進入了另一個世界。」Hartmut Neven如此形容他們團隊經歷運算能力正飛速提升時的感受。量子處理器相對其他任何計算手段,包括任何先進的傳統計算機,都是顛覆性、碾壓性的運算能力的壓制,「量子霸權」時代即將來臨。至於霸權標準什麼時候能掌握,Hartmut Neven沒有明確的時間,「也許今年就能實現,無論如何,2019都是最艱難也最關鍵的一年」。

如果你認同量子計算機的「Neven 定律」,那你就知道它超越美國橡樹嶺「頂點」超算也將是極為輕鬆的一件事。美國的「頂點」超級計算機是目前世界上運算最快的,大概每秒20億億次的計算速度,比我國的神威太湖之光和天河二號還快。但是當量子計算機真正應用時,「頂點」也無法在正常時間裡重複量子計算機的運算量。

但是量子計算機畢竟還在早期階段,幾乎只能呆在實驗室裡,離真正應用、進行各種類型的運算還有很長的一段路要走,比如前幾年的量子計算機連21是哪兩個質數的乘積這個問題都算不出來。它離應用還要面臨很多困境,從量子晶片的生產來說,要將大量量子比特連接、控制並製造出來,就必須先解決材料分子中的電子合理建模的難題。近日,澳大利亞的雪梨新南威爾斯大學實現了首個矽原子量子比特之間的量子比特門,完成一次運算只需0.8納秒,比現有的快200倍。可以看出,核心難題正在一步步解決,等到它能真正應用到大多數問題時,再以2的冪的冪的運算增長速度,足以再次顛覆人類的各行各業。

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