本周的當(dāng)頭一棒,有多少加密貨幣的擁躉,從“技術(shù)樂觀者”變成了“科技保守者”。
12 月 9 日,谷歌公布了旗下最新、最強(qiáng)大的量子計(jì)算芯片 Willow,它擁有史上最多的 105 個量子比特。更重要的是,在量子比特增加之后,Willow 在錯誤率的控制取得了突破性進(jìn)展。
圖片來源:Google
Willow 發(fā)布后,谷歌股價立刻飆升,兩天內(nèi)漲幅達(dá) 10%。比特幣價格則應(yīng)聲下跌,最低時下挫了 6%。
問題隨之而來,贊嘆科技美好,不耽誤擔(dān)心自己的錢包:我那比特幣密鑰,還……還靈么?
2019 年,谷歌曾利用一臺 54 位的量子計(jì)算機(jī) Sycamore,證明了“量子優(yōu)越性”,即量子計(jì)算機(jī)相比經(jīng)典計(jì)算機(jī),存在指數(shù)級的算力碾壓。當(dāng)時谷歌用 200 秒時間,完成了經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要一萬年才能完成的計(jì)算任務(wù)。
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而這一次,Willow 在算力測試中,進(jìn)一步將理論算力差距拉大到了天文數(shù)字的級別。此次 Willow 用 5 分鐘完成的計(jì)算任務(wù),如果用普通的超級計(jì)算機(jī),需要 10^25 年,比宇宙的壽命還長。
谷歌量子 AI 部門的創(chuàng)始人 Hartmut Neven 在博客中表示:Willow 表現(xiàn)出的算力碾壓太夸張,夸張到像是借用了平行宇宙里的算力。
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量子計(jì)算機(jī)理論上蘊(yùn)含的超強(qiáng)算力,一旦被用于通用計(jì)算機(jī)的應(yīng)用場景,巨大的想象空間隨之而來:一切的加密算法,一切對算力敏感的場景如加密貨幣、AI,都將改變成我們難以預(yù)期的模樣。
量子計(jì)算,靚在哪?
計(jì)算機(jī)的基本構(gòu)成單位是“比特”。
經(jīng)典計(jì)算機(jī)的比特是宏觀的。比如電路的通、斷,分別表示了 1 和 0 兩種狀態(tài),包括光信號,以及磁盤的扇區(qū),儲存單元,都是一樣。
一枚量子芯片丨Google
它們在宏觀中的表現(xiàn)是高度確定的,即便是最先進(jìn)的集成電路上,柵極尺寸只有十幾納米的晶體管,接通時,內(nèi)部也是數(shù)以億計(jì)的電子流動,所以可以抵抗外界干擾。
量子計(jì)算器的“比特”,則由微觀層面的量子構(gòu)成。單個量子的狀態(tài)是高度不確定的,即處于“疊加態(tài)”,僅僅是測量其狀態(tài),也可能導(dǎo)致狀態(tài)改變——有點(diǎn)像量子力學(xué)領(lǐng)域的“測不準(zhǔn)原理”。
量子計(jì)算的根本優(yōu)勢也在于此。因?yàn)樘幱凇隘B加態(tài)”,其計(jì)算能力提升并非單純的在于時鐘頻率有多高,而是利用量子力學(xué)的特性進(jìn)行并行計(jì)算,這是與經(jīng)典計(jì)算機(jī)完全不同的計(jì)算模式。
因?yàn)榱孔颖忍睾懿环€(wěn)定,為減少錯誤,量子計(jì)算機(jī)往往要在一個高度受控制的環(huán)境中運(yùn)行。谷歌之前就將量子計(jì)算機(jī)封裝在一個密閉金屬容器里,容器內(nèi)部的溫度只有 10 毫開爾文(1 開爾文的百分之一),接近絕對零度。還有研究者表示,因?yàn)榱孔颖忍貢艿接钪嫔渚€的干擾,應(yīng)該把計(jì)算機(jī)放進(jìn)地底或山洞里以減少干擾。這些手段有效果,但并不足以消除錯誤。
Google量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室中最顯眼的就是降溫裝置丨Google
實(shí)際上,經(jīng)典計(jì)算機(jī)也會出現(xiàn)錯誤,過去主要的解決方法是增加比特,作為“冗余位”,來實(shí)現(xiàn)信息的校驗(yàn)和修正。這一思路從計(jì)算機(jī)的硬件層、通訊協(xié)議層、軟件層,無處不在。
但對于量子計(jì)算機(jī)來說,增加比特是很困難的,因?yàn)槟銦o法直接測量量子比特是否存在錯誤,增加比特可能意味著“用不可靠的比特去糾正不可靠的比特”,最后的結(jié)果依然不可靠。
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谷歌采用的方法,是通過一種“網(wǎng)格化”的排布,來進(jìn)行糾錯。Willow 采用了 7X7 的網(wǎng)格排布,其中 49 個量子作為數(shù)據(jù)比特,另外有 48 個量子用于測量。通過這種方式,谷歌“突破了糾錯的平衡點(diǎn)”,即增加比特之后,能實(shí)現(xiàn)錯誤減少。
這是自計(jì)算機(jī)科學(xué)家 Peter Shor 1995 年提出“量子糾錯”概念以來的一次重大突破。根據(jù)谷歌發(fā)表的論文,如果未來進(jìn)一步將量子比特增加,錯誤率將會指數(shù)級下降,降到 10^-10 量級。
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這為量子計(jì)算描繪了一個更值得期許的未來。
我的比特幣,還保得住么?
Willow 的發(fā)布確實(shí)對加密貨幣市場造成了沖擊。
別急……丨Giphy
一切也不難理解,如果量子計(jì)算機(jī)的天文級算力投入到通用計(jì)算領(lǐng)域,過去一切的算力衡量標(biāo)準(zhǔn)都將變得無效。
比特幣的“挖礦”產(chǎn)出將進(jìn)入一個全新時代,整個加密貨幣的產(chǎn)能會被徹底重新分配。包括當(dāng)下加密錢包的私鑰,也全部存在被破解的隱患。
Google量子計(jì)算發(fā)展路線圖丨Google
早在 2019 年,谷歌證明了“量子優(yōu)越性”之后,就有研究者估算,一塊擁有 1300 萬個量子比特的芯片,只需要一天,就可以破解比特幣錢包的私鑰加密。
實(shí)際上,不只是比特幣,量子計(jì)算機(jī)潛在的天文級算力,會威脅到當(dāng)下所有的加密系統(tǒng),幾乎所有的密鑰,都可能會遭到暴力破解。如果量子計(jì)算機(jī)真的成為現(xiàn)實(shí),則意味著所有的加密系統(tǒng),都需要進(jìn)行對應(yīng)的對抗升級——是的,抗量子密碼學(xué)也在高速發(fā)展之中。
但同樣的,量子計(jì)算機(jī)如果能廣泛應(yīng)用于通用領(lǐng)域,也意味著大量的科學(xué)研究都可能得到巨大的算力支持,從而實(shí)現(xiàn)新的突破。比如當(dāng)下最熱的 AI 模型訓(xùn)練,又比如生物研究,藥物開發(fā),或用于航空航天器開發(fā)過程中的流體力學(xué)分析……
盡情暢享丨Google
本周,谷歌 CEO Sundar Pichai 在 X 上發(fā)布了 Willow 芯片的介紹后,SpaceX 創(chuàng)始人 Elon Musk 也表達(dá)了自己的贊嘆。之后 Pichai 回復(fù)稱“我們應(yīng)該用星艦在太空設(shè)立一個量子計(jì)算集群”,馬斯克回應(yīng)表示“這確實(shí)有可能發(fā)生”。
量子計(jì)算,駕馭一顆恒星的力量?
只不過,這些想象,至少在目前,還依然只是想象。你的加密貨幣錢包暫時安全,也不會有平行世界的礦工來到我們的宇宙挖幣。
因?yàn)榱孔颖忍貥O不穩(wěn)定的狀態(tài),不只會帶來錯誤,還意味著基于當(dāng)下技術(shù),很難對量子比特的狀態(tài)進(jìn)行批量復(fù)制、修改。也就是說,量子計(jì)算機(jī)很難處理大量的數(shù)據(jù),缺乏有效的算法。
谷歌量子糾錯論文截圖丨arXiv
目前谷歌用于測試量子計(jì)算機(jī)算力的基準(zhǔn)測試叫“隨機(jī)電路采樣”——這是一種特定的量子算法,它涉及到對量子比特進(jìn)行一系列隨機(jī)的量子門操作,然后測量結(jié)果的分布。它目前主要用于驗(yàn)證量子計(jì)算機(jī)的性能,本身也是一種有意義的量子計(jì)算任務(wù)——雖然這個測試展示了量子計(jì)算機(jī)在特定問題上的巨大優(yōu)勢,但并不意味著量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)可以解決所有類型的計(jì)算問題。
有學(xué)者這樣形容當(dāng)下的量子算力測試:“這就像你要用計(jì)算機(jī),建立一個超高精度的模型,來模擬馬克杯掉在地上會碎成什么樣。但如果你有一個馬克杯,你只需要把它往地上一丟就行了?!?/p>
總體上,目前學(xué)界對量子計(jì)算的測試方法,未來是否能應(yīng)用于更廣泛領(lǐng)域,依然存在爭議和質(zhì)疑。輿論場里的很多人也懷有一種樸素的觀點(diǎn),認(rèn)為如果量子計(jì)算真的有用,那它早就改變世界了。
的確,量子計(jì)算所展現(xiàn)出的未來潛力太大,不可避免地被抹上科幻色彩,就連 Elon Musk 本人,在和 Sundar Pichai 交流量子計(jì)算話題時,也表示說要把人類文明提升到“卡爾達(dá)肖夫 II 型”的水平。
太陽的力量,服不服?丨Giphy
“卡爾達(dá)肖夫指數(shù)”由前蘇聯(lián)天文學(xué)家提出,其中“II 型文明”意味著文明能駕馭一整顆恒星級別的能量,即 100% 利用太陽的全部功率。這個目標(biāo)是人類目前已利用能量功率的 10^10 倍。很顯然,這個愿景本身就帶有濃烈的科幻精神。
某種程度上,量子計(jì)算機(jī)的未來也處于一種疊加態(tài),一旦證明成功,就是從 0 到 1 的改變。很難想象未來的世界具體會變成什么樣——就像回到 80 年前計(jì)算機(jī)發(fā)明的時候,當(dāng)時的人們也很難想象我們今天的世界。