本周的當(dāng)頭一棒，有多少加密貨幣的擁躉，從“技術(shù)樂(lè)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(gè)量子比特。更重要的是，在量子比特增加之后，Willow 在錯(cuò)誤率的控制取得了突破性進(jìn)展。
圖片來(lái)源：Google
Willow 發(fā)布后，谷歌股價(jià)立刻飆升，兩天內(nèi)漲幅達(dá) 10%。比特幣價(jià)格則應(yīng)聲下跌，最低時(shí)下挫了 6%。
問(wèn)題隨之而來(lái)，贊嘆科技美好，不耽誤擔(dān)心自己的錢(qián)包：我那比特幣密鑰，還……還靈么？
2019 年，谷歌曾利用一臺(tái) 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(jí)的算力碾壓。當(dāng)時(shí)谷歌用 200 秒時(shí)間，完成了經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要一萬(wàn)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(cè)試中，進(jìn)一步將理論算力差距拉大到了天文數(shù)字的級(jí)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(jí)計(jì)算機(jī)，需要 10^25 年，比宇宙的壽命還長(zhǎng)。
谷歌量子 AI 部門(mén)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(chǎng)景，巨大的想象空間隨之而來(lái)：一切的加密算法，一切對(duì)算力敏感的場(chǎng)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(hào)，以及磁盤(pán)的扇區(qū)，儲(chǔ)存單元，都是一樣。
一枚量子芯片丨Google
它們?cè)诤暧^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(shí)，內(nèi)部也是數(shù)以?xún)|計(jì)的電子流動(dòng)，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(gè)量子的狀態(tài)是高度不確定的，即處于“疊加態(tài)”，僅僅是測(cè)量其狀態(tài)，也可能導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)改變——有點(diǎn)像量子力學(xué)領(lǐng)域的“測(cè)不準(zhǔn)原理”。
量子計(jì)算的根本優(yōu)勢(shì)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(shí)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(cuò)誤，量子計(jì)算機(jī)往往要在一個(gè)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(gè)密閉金屬容器里，容器內(nèi)部的溫度只有 10 毫開(kāi)爾文（1 開(kāi)爾文的百分之一），接近絕對(duì)零度。還有研究者表示，因?yàn)榱孔颖忍貢?huì)受到宇宙射線的干擾，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(cuò)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(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，過(guò)去主要的解決方法是增加比特，作為“冗余位”，來(lái)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(wú)處不在。
但對(duì)于量子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，增加比特是很困難的，因?yàn)槟銦o(wú)法直接測(cè)量量子比特是否存在錯(cuò)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(guò)一種“網(wǎng)格化”的排布，來(lái)進(jìn)行糾錯(cuò)。Willow 采用了 7X7 的網(wǎng)格排布，其中 49 個(gè)量子作為數(shù)據(jù)比特，另外有 48 個(gè)量子用于測(cè)量。通過(guò)這種方式，谷歌“突破了糾錯(cuò)的平衡點(diǎn)”，即增加比特之后，能實(shí)現(xiàn)錯(cuò)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(cuò)”概念以來(lái)的一次重大突破。根據(jù)谷歌發(fā)表的論文，如果未來(lái)進(jìn)一步將量子比特增加，錯(cuò)誤率將會(huì)指數(shù)級(jí)下降，降到 10^-10 量級(jí)。
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這為量子計(jì)算描繪了一個(gè)更值得期許的未來(lái)。
我的比特幣，還保得住么？
Willow 的發(fā)布確實(shí)對(duì)加密貨幣市場(chǎng)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(jí)算力投入到通用計(jì)算領(lǐng)域，過(guò)去一切的算力衡量標(biāo)準(zhǔn)都將變得無(wú)效。
比特幣的“挖礦”產(chǎn)出將進(jìn)入一個(gè)全新時(shí)代，整個(gè)加密貨幣的產(chǎn)能會(huì)被徹底重新分配。包括當(dāng)下加密錢(qián)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(wàn)個(gè)量子比特的芯片，只需要一天，就可以破解比特幣錢(qián)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(jí)算力，會(huì)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(huì)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(duì)應(yīng)的對(duì)抗升級(jí)——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(kāi)發(fā)，或用于航空航天器開(kāi)發(fā)過(guò)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(chēng)“我們應(yīng)該用星艦在太空設(shè)立一個(gè)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(guò)，這些想象，至少在目前，還依然只是想象。你的加密貨幣錢(qián)包暫時(shí)安全，也不會(huì)有平行世界的礦工來(lái)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(huì)帶來(lái)錯(cuò)誤，還意味著基于當(dāng)下技術(shù)，很難對(duì)量子比特的狀態(tài)進(jìn)行批量復(fù)制、修改。也就是說(shuō)，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(cuò)論文截圖丨arXiv
目前谷歌用于測(cè)試量子計(jì)算機(jī)算力的基準(zhǔn)測(cè)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(duì)量子比特進(jìn)行一系列隨機(jī)的量子門(mén)操作，然后測(cè)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(gè)測(cè)試展示了量子計(jì)算機(jī)在特定問(wèn)題上的巨大優(yōu)勢(shì)，但并不意味著量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)可以解決所有類(lèi)型的計(jì)算問(wèn)題。
有學(xué)者這樣形容當(dāng)下的量子算力測(cè)試：“這就像你要用計(jì)算機(jī)，建立一個(gè)超高精度的模型，來(lái)模擬馬克杯掉在地上會(huì)碎成什么樣。但如果你有一個(gè)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(duì)量子計(jì)算的測(cè)試方法，未來(lái)是否能應(yīng)用于更廣泛領(lǐng)域，依然存在爭(zhēng)議和質(zhì)疑。輿論場(chǎng)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(lái)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(shí)，也表示說(shuō)要把人類(lèi)文明提升到“卡爾達(dá)肖夫 II 型”的水平。
太陽(yáng)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(jí)別的能量，即 100% 利用太陽(yáng)的全部功率。這個(gè)目標(biāo)是人類(lèi)目前已利用能量功率的 10^10 倍。很顯然，這個(gè)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(lái)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(lái)的世界具體會(huì)變成什么樣——就像回到 80 年前計(jì)算機(jī)發(fā)明的時(shí)候，當(dāng)時(shí)的人們也很難想象我們今天的世界。