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告诉你一个真实的量子计算世界

2018-08-10

在很多人看来,量子计算机有一种“神奇的力量”,几乎可以完成传统计算机不能完成的所有任务。然而,事实上,如果量子计算机缺乏足够数量的处理单元,即量子比特,以及足够的稳定性来做有用的工作,这些好处就只是“纸上谈兵”。


但面对这一新兴领域的无限潜力,包括中国、美国与欧盟等在内的不少国家和地区都已经开始在量子计算的研究方面发力;与此同时,从国外的IBM、谷歌、英特尔到国内的百度、阿里巴巴和腾讯等科技巨头也纷纷加入战局。


不过,就现在的情况而言,真实的量子计算世界,已然成为了科学家的梦想,工程师的梦魇。


纽约市以北约80公里处,在那个郁郁葱葱的乡村里有一个小型实验室。实验室的天花板上缠绕着很多精致的管子和电子设备。不要以为这是蒸汽朋克吊灯,实际上,这堆器材是一台计算机。当然,这也不是一台普通的计算机,它名为“IBM Q”,是世界上最先进的量子计算机之一,而且还极有可能成为该领域历史上最重要的里程碑。


要说量子计算机的前景,它的运行范围将远远超过任何传统超级计算机的范围,换句话说,它们可以通过模拟物质在原子水平上的行为发掘新的材料;或者可以通过破解一些秘密代码对如今的加密市场造成威胁;甚至还有望通过更有效地处理数据来增强人工智能。


然而经过几十年的缓慢进步,直到现在,研究人员才终于构建出了足够强大的量子计算机来处理传统计算机无法完成的任务——它就是极具里程碑意义的“量子霸权”。众所周知,谷歌一直在引领这一里程碑的发展,与此同时,英特尔和微软也做出了巨大的努力。此外,还有一些资金充足的初创公司涉身其中,包括Rigetti Computing,IonQ以及Quantum Circuits。


尽管如此,在量子计算领域,暂时还没有哪个竞争者可以与IBM相匹敌,毕竟从50年前开始,该公司就已在材料科学方面取得了进步,并为计算机革命奠定了基础。这也是为什么去年10月,IBM Thomas J. Watson研究中心尝试对这些问题做出回答,包括量子计算机有什么好处?人类真的可以构建出实用可靠的量子计算机吗?


为什么我们需要一台量子计算机?


Charles Bennett是一位70多岁的研究员,在其1972年加入IBM时,量子物理已经有50多年的历史了。据他回忆,当时计算仍然依赖于由Claude Shannon在20世纪50年代于MIT建立的经典物理学和信息数学理论。Shannon根据存储信息所需的“比特”(一个由他普及但不是他创造的术语)的数量来定义信息的数量。这些比特,即二进制代码的0和1,是所有传统计算的基础。


一年后,Bennett建立了量子信息理论的基础。根据原子水平上的物质特殊行为,该理论认为粒子可以同时存在许多状态(比如,许多不同位置)的“叠加”(superposed),此外,两个粒子也可以表现出“纠缠”(entanglement),因此改变一个粒子的状态可能会瞬间影响到另一个粒子的状态。


就是在这种情况下,Bennett和其他人意识到,有了量子现象的帮助,人类可以有效地执行几种指数型耗时甚至不可能的计算任务。量子计算机将信息存储在量子比特(Qubit)中。Qubit可以以1和0的叠加存在,并且用纠缠和干涉效应来找到在指数量级状态下的计算解决方案。虽然将量子计算机与传统计算机进行对比很难,但简单来说,只有几百个量子位的量子计算机能够同时执行比已知宇宙中的原子更多的计算任务。


之后在1981年的夏天,IBM和MIT举行了一次名为“计算物理学第一次会议”的具有里程碑意义的活动。当时,很多在计算和量子物理学史上最有影响力的人物,包括开发第一台可编程计算机的Konrad Zuse和量子理论重要贡献者Richard Feynman,都参加了这次会议。其中,Feynman提出了使用量子效应进行计算的想法,也因此,他成为了量子信息理论最大的推动力。


如今,IBM的量子计算机——世界上最有潜力的计算机之一——保存于Bennett办公室的大厅下方,该机器旨在创建和操纵量子计算机中的基本元素:存储信息的量子比特。


梦想与现实的差距


如今在IBM的量子实验室内,工程师正在开发一个具有50个量子比特的计算机版本。正常情况下,人们可以在普通计算机上运行一个简单的量子计算机的模拟,但如果有约50个量子比特,则几乎不可能完成。这就意味着IBM理论上正在无限接近量子计算机可以解决传统计算机无法解决的问题,换句话说,是量子霸权。


正如IBM的研究人员所说,量子霸权是一个难以捉摸的概念。你需要所有50个量子比特才能顺利工作,但实际上量子计算机却被纠错问题所困扰。但在任意长的一段时间里想要维持量子比特也是一件充满困难的事情,因为它们倾向于“退化”(decohere),或者说失去其微妙的量子特性(就像烟圈在最轻微的气流中分解一样)。而且量子比特越多,解决这两个问题就越难。


耶鲁大学教授兼初创公司Quantum Circuits的创始人Robert Schoelkopf表示:“如果你有50个或100个量子比特且它们运行良好,有完全纠错的能力,那你就可以做出一些“不可思议”的计算,这是在任何传统的计算机上都无法完成的。此外,量子计算的另一面是它存在指数级的出错概率。”


还有一个需要注意的问题是,即使是功能完善的量子计算机,其实用性可能也不是很明显。它不会简单地加速研究员抛出的任何任务;事实上,对于许多计算,它实际上会比传统计算机要慢。到目前为止,只有少数被设计出来的算法在量子计算机上显示出了优势,甚至对于那些算法来说,这些优势也可能是短暂的。


来自MIT的Peter Shor开发出了最著名的量子算法,目的是寻找整数的素因子。许多常见的密码方案都依赖于这个事实,即传统计算机难以实现大整数分解。但是密码学也可以做出改变,创造出不依赖分解的新型密码。


这就是为什么即使他们已经接近50个量子比特的里程碑,IBM的研究人员还是希望能消除围绕量子计算的炒作。对此,专注于研究量子算法和IBM硬件的潜在应用的Jay Gambetta表示,“我们正处于一个特殊的时期:我们有比在传统计算机上可模拟复杂得多的任务的设备,但它还不能精确地控制到可以运行任何你熟悉的算法的程度。”


量子计算——物理学家的梦想,工程师的梦魇


“之所以量子计算现在炒的火热,是因为人们逐渐意识到,它实际上是真实存在的,”MIT的教授Isaac Chuang表示。“它已经不再是物理学家的梦想,反而成为了工程师的噩梦。”


实际上,从20世纪90年代末到21世纪初,Chuang领导了一些早期量子计算机的开发。虽然现在他已经不在进行该领域的研究,但Chuang认为我们处在一个非常重要的起点阶段——量子计算最终会在人工智能领域发挥作用。


但他也有怀疑,或许等有新一代学生和黑客开始使用量子计算机了,革命才会真正开始。在一定程度上,量子计算机不仅需要不同的编程语言,还需要用从本质上就不相同的思考方式来进行编程。正如Gambetta所说:“我们真的不知道量子计算机上的‘Hello, World’是什么样的。”


不过,现在研究员也开始着手于找出答案了。2016年,IBM将一台小型量子计算机连接到云端:通过使用一种名为QISKit的编程工具包,用户可以在上面运行简单的程序;到目前为止,从学术研究人员到小学生,已经有成千上万的人构建了运行基本量子算法的QISKit程序。此外,谷歌和其他公司也在将其刚刚起步的量子计算机连到线上。虽然现在我们还不能通过量子计算做很多事情,但至少一些身处前沿实验室之外的人们能够尝试一下未来可能会发生的事情了。


在这种情况下,相关的创业公司也越来越兴奋了。在多伦多大学商学院举办的一场量子初创公司投资竞赛上。一些企业团队向一群教授和投资者介绍了自己的想法。比如,有一家公司希望使用量子计算机来模拟金融市场。而另一个企业计划通过量子计算设计新的蛋白质。还有人想要建立更先进的AI系统。但在赛场上,几乎没有人注意到每个团队提出的业务都是建立在一项尚不存在的技术之上的,即使这项技术具有革命性。更可怕的是,很少有人为这个事实感到恐惧。


事实上,如果第一批量子计算机在实际应用中进展缓慢,那么这种热情可能很快就会消失。而那些对于量子计算的发展存在的困难有真正了解的人,比如Bennett和Chuang,猜测称,第一批有实用性价值的量子计算机还要几年才能出现,而且这一猜测是在假设管理和操作大量量子比特的问题最终不会证明是难以处理的条件下提出的。


不过,研究人员仍对此抱有很大的希望。想不想知道现在大约2岁的孩子,长大后会面临一个什么样的量子世界呢?或许,到时候他会有一个用于建立量子计算机的工具包吧。


(来源:钛媒体)

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