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博文

五年后量子计算将成为主流?

已有 7408 次阅读 2019-2-3 10:05 |系统分类:海外观察

IBM的年度“5 in 5”技术预测,每年都会展示IBM Research全球实验室的一些重大突破——他们相信未来五年内从根本上重塑商业和社会的五项技术。2018年发布的五项技术之一是量子计算(参考资料[1])——按照IBM“5 in 5”预测,“今天,量子计算是研究者的舞台。五年后,它将成为主流(Today, quantum computing is a researcher’s playground. In five years, it will be mainstream.)。”。

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量子计算的基本思想是利用亚原子尺度的物理原理,打破一些限制现有计算机速度的障碍。如果科技产业实现了这一点,当然,每个人口袋里的手机不会马上换成量子计算机。然而,可望看到许多科学和技术领域的显著进步,这些技术可以重塑行业,比如电动汽车用的持久电池,或者化学技术的进步,或者能够应用新的医疗手段。量子计算机不可能对于做任何事情都比传统计算机都快,但在一些棘手的问题上,它们有优势,可以取得惊人的进展。

这篇博文主要根据汤姆·西蒙奈特的讨论量子计算文章(参考资料[2])和美国国家科学院、工程院和医学院组建的一个专家委员会的题为“Quantum Computing: Progress and Prospects”(量子计算:进展和前景)报告(参考资料[3]),讨论有关量子计算的过去、现在和未来。

首先,应该注意到,围绕这项技术存在所谓的“量子炒作(quantum hype)”。正如汤姆·西蒙奈特形容的:从飞向旧金山的飞机窗口眯着眼睛看,你可以看到量子炒作的阴霾飘过硅谷。但是,量子计算的巨大潜力是不可否认的,而且利用它所需要的硬件正在快速发展中。

量子计算的硬件原型现在仍处于萌芽阶段。但一些科技公司,如谷歌、IBM和其它公司,已经加大对这项技术的投资。根据CB Insights的数据,2017年,风险投资商向全球从事量子计算硬件或软件的新兴企业投入了2.41亿美元,这是2016年的三倍。

【量子计算发展历程】

量子计算的史前史始于20世纪初,当时物理学家开始意识到存在用经典物理无法解释的一些物理现象。首先,对亚原子世界的公认解释是不完整的。例如,电子和其他粒子不仅仅像牛顿式的台球那样旋转,有时他们的行为就像波。量子力学的出现,能够解释这些怪癖,但也引入了自身的令人不安的问题。仅举一个令人皱眉的例子,这个新的理论暗示了亚原子世界的物理性质,比如电子的位置,在观察之前并不存在,它概率分布于“这儿”、“那儿”和“任何地方”。这种概率分布可以从“波函数”计算得到。只有在测量它的位置时,并发现它在“这儿”时,概率分布突然集中在确定的位置“这儿”。这被称为波函数的“塌缩”。

量子理论让人困惑。加州理工学院的理查德·费曼曾经说道:“我认为我可以肯定地说,现在没有人理解量子力学”。这是在他因对量子理论的贡献而获得诺贝尔奖的前一年说的。量子行为与我们对世界的体验是不相容的。但是有些科学家很好地理解了它,重新定义了我们对宇宙的理解。在20世纪80年代,包括费曼在内的一些科学家开始考虑是否可以把量子力学用于计算,借助微小的“量子”行为改进计算模型。20世纪90年代,随着肖尔算法的引入(Peter Shor于1994年提出了量子计算的第一个解决具体问题的思路,即肖尔因子分解算法。利用量子计算的并行性,肖尔算法可以在很短的时间内破解掉我们今天使用的RSA加密技术密钥),人们对这一领域的兴趣日益浓厚,如果在量子计算机上实现该算法,重要密码的破解速度将以指数的形式加快。20世纪80年代和90年代形成的量子计算机的基本理论或蓝图,至今仍然指导着谷歌和其他研究这项技术的人。

表1列出了量子计算的历史发展历程中一些重要事件(根据参考资料[2])。

表1 量子计算发展历程中的若干事件

1980 物理学家保罗贝尼奥夫(Paul Benioff)建议量子力学可以用于计算。

1981 诺贝尔奖得主、加州理工学院的物理学家理查德·费曼创造了量子计算机这个词。

1985 牛津大学的物理学家大卫·德伊奇(David Deutsch)绘制出了量子计算机的工作原理,这是一个支撑当今新兴产业的蓝图。

1994 贝尔实验室的数学家彼得·肖(Peter Shor)编写了一种算法,可以利用量子计算机的能力来破解广泛使用的加密形式。

2007 加拿大新兴企业D-Wave宣布推出一款量子计算芯片,称该芯片可以解决数独难题,引发了有关该公司技术是否真的有效的争论。

2013 谷歌与美国国家航空航天局合作,资助一个实验室试验D-Wave的硬件。

2014 谷歌聘请了一些最好的量子计算机硬件的教授,来领导其新的量子硬件实验室。

2016 IBM将它的一些原型量子处理器放到互联网上,供程序员编写量子代码和任何人进行试验。

2017 新兴公司Rigetti开设了自己的量子计算机制造设施,用于构建原型硬件,并与谷歌和IBM展开竞争。

【量子计算机】

我们知道,常规的计算机,智能手表、iPhone和世界上最快的超级计算机,基本上都做同样的事情:它们通过将信息编码为比特或位(即0和1)来进行计算。量子计算机使用量子比特,或者说量子位进行计算。传统计算机的“位”只能表示0或1,而“量子位”不仅可以表示0或1,还可以表示这两者的某种组合(叠加状态)。所以,量子比特有着独特而强大的特性。表2列出本文涉及的量子比特等有关术语。

构建量子比特可以有不同的方式,到2018年,大多数量子计算机开始使用由超导电路产生的捕获离子和人工“原子”这两种技术,目前还在探索其他用于实现量子比特的技术。它们都是使用电子控制物体的量子特性来表示数字0和1。这种安排让量子比特具备一种神奇的模式,称为“叠加”。你可能听说过叠加态的量子位同时是0和1。这不完全正确,也不完全错。重要的是要知道,当一个量子比特被读出操作时,它从量子叠加中塌缩到经典现实中,发现0或1的概率。量子计算机可以利用叠加态的量子比特集合,通过不同的可能路径进行运算。如果做得正确,当量子比特被读出为0和1时,指向不正确路径的指针将取消,留下正确的答案。

表2 若干量子科学术语

量子比特(qubi)一种利用量子力学效应来表示0和1的数字数据的装置,类似于传统计算机中的比特。

量子纠缠(quantum entanglement)一种量子效应,它是如此非直觉,以至于爱因斯坦称之为“超距离的幽灵行为”。当一个叠加态中的两个量子比特纠缠在一起时,其中一个量子比特的某些操作,对另一个量子比特具有即时效应,这一过程有助于量子算法比传统算法更强大。

量子加速(quantum speedup)量子计算的圣杯——衡量一台量子计算机解题的速度比传统计算机快多少。量子计算机并不适用于各种各样的问题,但对一些问题来说,它们提供了指数级的加速,这意味着它们相对于传统计算机的优势,随着输入问题的规模而爆炸性地增长。

叠加(superposition)量子理论的基本原理,允许在经典物理中是无法混合的态相加。在量子力学中,当系统处于一个态时,可以把它作为两个或多个其它态的叠加结果。这是使量子比特比普通比特更强大的诀窍。

一些对于传统计算机而言非常耗时的问题,量子计算机能够以(比传统计算机所需要的)更少的步骤找到解决方案。Grover算法——一种著名的量子搜索算法,可以只用1万个操作在有1亿个名字的电话簿中找到你。如果用经典的搜索算法平均需要5000万次操作。对于Grover和其它一些量子算法来说,初始问题或电话簿越大,传统计算机差距就越大。

我们今天没有可用的量子计算机的原因是量子比特是极其挑剔的,不能从本质上隔离噪声。经典计算机和量子计算机的主要区别之一是,它们能够有效处理系统中微小的干扰噪声。因为经典计算机的“位”不是0就是1,即使由于噪声稍微偏离,也很容易将噪声消除,可以抑制输入端的噪声污染,产生干净无噪声的输出。但“量子位”可以是0和1的任意组合,所以量子位不容易隔离物理电路中出现的噪声。量子比特必须小心屏蔽,并在非常冷的温度下工作,有时只比绝对零度高出几分之一度。

最近对量子计算的兴趣源于使量子比特变得不那么脆弱的有所进展。这让研究人员有信心开始将这些设备捆绑成更大的群体。新兴公司Rigetti Computing最近宣布,它已经制造了一个含有128个量子位元的处理器,这些量子位元由铝电路制成,经过过冷处理,使它们成为超导的。谷歌和IBM已经分别发布了他们自己的72和50个量子比特的芯片。这仍然远远低于使用量子计算机进行有用工作所需的数量,这可能至少需要数千个。

在由美国国家科学院、工程院和医学院组建的一个专家委员会的的报告中(参考资料[3])指出,理论上可以建造一台大型容错的量子计算机。但是建造这样一个系统并将其应用于解决实际任务并带来收益仍然具有很大的技术挑战性。量子计算机面临的挑战包括:量子比特隔离噪声、量子误差校正、大数据加载、新的软件栈、量子计算机的中间状态直接测量等。考虑到量子计算机独特的计算方式和实现它所面临的一系列挑战,它不太可能成为经典计算机的直接替代品。事实上,它们需要经典计算机来控制它们进行操作,并实现量子误差计算修正。因此,它们目前被设计成与经典处理器互补的特殊设备,类似于协同处理器和加速器。

【量子计算的未来】

一些大公司和政府已经开始把量子计算研究当作一场竞赛,或许这是一场合适的竞赛,在那里距离终点线的距离和获得终点的奖励都是未知的。

谷歌、IBM、英特尔和微软都扩大了他们在这项技术上的团队,越来越多的新兴公司如Rigetti也在紧追不舍。中国和欧盟各自推出了数十亿美元的新项目,以刺激量子研发。在美国,特朗普白宫成立了一个新委员会,协调政府在量子信息科学方面的工作。2018年,几项法案被提交给国会,提议为量子研究提供新的资金,总额超过13亿美元。尚不清楚量子计算的第一个杀手级应用程序是什么,或者何时出现。但有一种感觉,首先使这些机器有用的人将获得巨大的经济和国家安全优势。

然而,现在的量子处理器太简单,无法进行实际工作。随着量子计算机原型越来越大,它们的第一个实际应用可能是化学模拟。分子和原子的计算机模型对于寻找新的药物或材料至关重要。然而,传统的计算机无法准确地模拟原子和电子在化学反应中的行为。因为这种行为是由量子力学驱动的,它的全部复杂性对于传统机器来说太大了。戴姆勒(Daimler)和大众(Volkswagen)都已开始研究量子计算,以此来改善电动汽车的电池化学性能。微软表示,其他用途可能包括设计新的催化剂,以降低工业过程的能源密集度,甚至将二氧化碳从大气中抽出来,以缓解气候变化。像谷歌这样的科技公司也在押注量子计算机,以使人工智能更强大,希望量子计算机可以帮助机器学习算法更有效训练人工智能系统完成复杂的任务。

量子计算机自然也适合破译代码。我们从90年代就知道,他们可以快速通过数学基础加密,确保网上银行、调情和购物的安全。要做到这一点,量子处理器需要更先进,但各国政府和企业正在认真对待这一威胁。美国国家标准与技术研究所正在评估新的加密系统,这些系统可以推广到量子验证互联网。

量子退火研究在多年前就开始了。量子退火(QA)是用于通过使用量子波动的过程在给定的一组候选解(候选状态)上找到给定目标函数的全局最小值的元启发式。2017年试验量子退火器已经发展到使用大约2000量子位元的机器。

量子霸权是指完成一项在经典计算机上难以完成的任务,以证明量子计算拥有的超越所有经典计算机的计算能力。虽然有几个团队一直在努力实现这一目标,但到2018年,这一目标还没有得到实现。在物理实验上,迄今还没有任何一台量子装置在实际实验中展现出这种能力。谷歌正在努力进行一个这样的量子霸权的演示,在这个演示中,量子处理器将解决一个精心设计的数学问题,超越现有的超级计算机。但这将是一个历史性的科学里程碑。

尽管量子计算时代真正开始的时间存在着许多不确定性,但大型科技公司认为程序员现在需要做好准备。谷歌、IBM和微软都发布了开源工具,来帮助编程人员熟悉为量子硬件编写程序。IBM甚至已经开始提供对一些量子处理器的在线访问,因此任何人都可以使用它们进行试验。长期来看,大型计算机公司通过向企业收费以访问装有过冷量子处理器的数据中心来赚钱。

对我们其他人来说有什么好处?尽管有一些明显的缺点,传统计算机的时代已经帮助我们的生活变得更安全、更丰富、更方便,量子计算机时代应该有同样广泛的影响。

【结语】

尽管量子计算领域正以前所未有的速度进步,回到在标题中提出的问题来,是否在五年后量子计算将成为主流呢?向从事量子计算工作的人询问量子计算应用何时才能实现没有用,唯一可以肯定的是,还需要很多年(参考资料[2])。美国国家科学院、工程院和医学院组建的一个专家委员会的报告则明确表示,在未来十年内,制造出具有实用能力的量子计算机的可能性很微小(参考资料[3])。

【参考资料】

[1] http://www.research.ibm.com/5-in-5/

[2] Tom Simonite.The WIRED Guide to Quantum Computing

见://www.wired.com/story/wired-guide-to-quantum-computing/

[3] THE NATIONAL ACADEMIES PRESS. Quantum Computing: Progress and Prospects (2018).http://nap.edu/25196



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