量子計算時代來臨?D-Wave 的量子電腦能提高運算速度 1 億倍

加拿大科技公司 D-Wave 宣稱其所研發的量子電腦可以使目前的運算速度提高 1 億倍,量子化時代是否已經來臨?
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原文來自:theguardian《Has the age of quantum computing arrived?》, 由合作媒體 TECH2IPO 編譯。

查爾斯 · 巴貝奇(Charles Babbage)於 19 世紀 30 年代提出了一款難以實現的概念性分析引擎,自那時以來,電腦科學一直為了保持領先於時代的地位而奮力前行。在過去 75 年內,許多驚人的創舉接連出現:可編程電子電腦、集成線路電腦以及微處理器等產品相繼問世。儘管如此,最具變革性的一步或許仍未到來。

不論是科學家、企業家還是科技巨頭對量子計算技術都寄予厚望,我們的未來即將實現量子化的飛躍。 YouTube 上有一則關於量子計算技術的 科普影片 獲得了好幾百萬的點擊量,在這段影片中, 加拿大總理賈斯汀 · 特魯多(Justin Trudeau)向世人科普了量子計算技術的概念。特魯多最近訪問了位於安大略省滑鐵盧市的圓周理論物理研究所,該研究所針對量子計算領域的研究水平處於全球領先地位。在一場記者招待會上,一位記者打趣地讓特魯多對量子計算技術作出解釋。

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從概念上講,量子力學絕對是一個違反直覺的科學領域,即便是最聰明的科學家也會對這個領域感到困惑。正如阿爾伯特 · 愛因斯坦(Albert Einstein)所言:「上帝不會投擲骰子。」因此,一般的政治家絕不會貿然接受這樣的講解請求,但特魯多卻勇敢地接受了挑戰。不少科學家認為,特魯多所作的講解完全符合教科書的規範,是一個化繁為簡的絕佳案例。

量子計算的概念由諾貝爾獎獲得者、美國傑出理論物理學家理查德 · 費曼(Richard Feynman)在 20 世紀 80 年代末期提出,是一個相對較新的領域。費曼從概念上探討了以量子電腦的形式提升計算速度的可能性,但這種理論性的探索還只是第一步。想要將這種理論投入實際應用,研究人員需要投入極大的努力。

傳統意義上的電腦在處理訊息時只有打開和關閉兩種狀態,且在處理過程中,訊息會被拆解成由「1」和「0」構成的 bit 狀態。普通電腦的運算能力主要取決於二進制晶體管的數量,這些晶體管會被儲存在未處理當中。

在 1971 年,第一款英特爾處理器問世,這款處理器整合了 2,300 個二進制晶體管。在今天,英特爾公司所產生的微處理器可以放置超過 50 億個二進制晶體管。但儘管如此,電腦的性能還是會受到二進制選項的局限。正如特魯多在講解中所說的一樣,由於量子的物理狀態存在不確定性,因此在量子電腦所能提供的狀態選項會更具多樣性。

在不可思議的亞原子領域內,粒子也具有波的特性,因此量子有可能處於粒子狀態,也可能處於波的狀態,甚至還可能兩者兼具。量子力學領域將這種現象稱為疊加。在疊加原理的作用下,量子 bit 有可能處於「0」或「1」兩種孤立狀態,又或者是「0」和「1」的疊加狀態。這也意味著一個量子 bit 可以同時執行 2 條方程式,兩個量子 bit 則可以同時執行 4 條方程式,三個量子 bit 可以同時執行 8 條,設備的運算能力實現了指數式增長。隨著這個過程的推演,量子電腦可以輕鬆處理體量龐大的數據,以及一些此前無從入手的工作。

現實意義上的量子電腦很可能會在特魯多家鄉的西南部問世,那是一個毫無時尚感的郊區。本那比是溫哥華的一個衛星城市,這座城市中有一個整潔寬敞的實驗室。實驗室中放置著一個 10 英尺高的黑色金屬機箱,在機箱的內部存有精心設置的電路板架構。位於機箱內部的電路板和物理課堂上常見的電路板並無太大差別,只是電路板的中央點綴著由鈮晶片構成的彩色區域。儘管一切看起來非常平凡,但這其中卻蘊含著不可思議的多重世界。

A D-Wave 2X Quantum Computer pictured during a media tour of the Quantum Artificial Intelligence Laboratory (QuAIL) at NASA Ames Research Center in Mountain View, California

該實驗室由一所名為「D-Wave」的小公司所有,這家公司只有 140 名員工,他們立志要製造出世界上第一台可以運行的量子電腦。在和冰箱非常相似的金屬機箱內部,量子電腦的雛形已經搭建完畢。實際上,這個機箱確實是有史以來溫度最低的電冰箱,機箱的冷凍裝置可以確保鈮晶片在接近絕對零度(–273℃)的狀態下運作。

在溫度極低的條件下,量子可以維持連貫的疊加和牽連活動。在這種狀態下,粒子會以相互依賴的方式產生互動作用,量子 bit 之間將因為量子力學而產生連接,這種連接和量子 bit 所處的位置無關。光和熱量的介入將對上述過程產生干擾,進而降低電腦的運算性能。

我們尚未完全弄懂量子物理學所遵循的明確規則,傳播最廣的理論或許是量子在不同的宇宙中存在不同的狀態。D-Wave 公司所製造的量子電腦擁有 1,000 個量子 bit。

「這 1,000 個量子 bit 可能同時處於 2 種至 1,000 種狀態當中,總共擁有 10 的 300 次方種可能性。」D-Wave 公司的 CEO 弗恩 · 布朗尼爾(Vern Brownell)表示,「而宇宙中的原子總數只有 10 的 80 次方,這是否意味著這 1,000 個量子 bit 同時存在於 10 的 300 次方個宇宙當中?」

數十億個宇宙有可能在一台電腦中共存嗎?我們最好還是不要執著於這個問題,因為在某種意義上答案其實並不重要。我們更應該關注的問題是,這台量子電腦到底能否運作。

在當下,量子計算還很大程度上還僅僅是一個理論概念。這個領域所蘊含的潛力非常驚人,其所涉及的計算能力可能是現存所有電腦總和的許多倍。但要製造出量子電腦絕非易事。

D-Wave 所研發的 2X 電腦耗資高達 1,500 萬美元,只有少數組織擁有這個財力,包括 Google、Lockheed Martin 和 Nasa 等。D-Wave 的投資者包括亞馬遜公司的創辦人傑夫 · 貝索斯(Jeff Bezos)、美國中情局的高科技部門以及 In-Q-Tel 等公司和個人。很明顯,目前世界上最具前瞻性的機構都相信 D-Wave 的電腦擁有一片光明的未來。

人工智慧領域和密碼學領域的專家認為量子計算技術的發展將會改變許多領域的地貌。在未來,電腦或許可以掌握和人類相似的思維以及解釋能力。

沃恩 · 布朗內爾(Vern Brownell)曾在高盛集團擔任 CTO 一職。在任職期間,布朗內爾並沒有被當時的技術進展所打動。他認為社交媒體成功的關鍵在於以聰明的方式運用現有技術,但現在整個矽谷都爭先恐後地在相同的主題上追逐利潤,這種狀態表明那個地方已經不再熱衷于思考。「和過去相比,我們所能觀察到的革新程度實在低得可憐,可以改變世界進程的發明數量也處於歷史低點。」

在布朗內爾眼中,D-Wave 的出現振興了整個世界的創新浪潮。7 年前當他第一次聽說這家公司時,D-Wave 已經創立了 9 年,當時有人認為這家公司只是一個笑柄。在第一次和這家公司進行接觸的時候,布朗內爾的內心也充滿了懷疑。

「在最開始的時候,我根本不相信這一切。」他說到,「當時在部落格上有許多專家直斥 D-Wave 是一家騙子公司,我壓根就提不起興趣。」

和團隊成員面談過後,他的態度發生了轉變。D-Wave 的創辦人是物理學博士喬迪 · 羅斯(Geordie Rose),時年 44 歲的羅斯對整個學術界產生了質疑,繼而參加了創業課程。他對極其昂貴但卻存在諸多限制的實驗完全失去了耐性。

羅斯異想天開地試圖打造出可以投入商業應用的量子電腦,當時科學界普遍對量子計算技術感到不知所措。絕大多數所謂的量子電腦都在實驗室內組裝而成,這些電腦具有通用的模型,研究人員普遍使用晶體管作為電子 bit 的替代品。在當時,研究的進展一度陷入停滯。

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另辟蹊徑的羅斯計劃研發一台絕熱的量子電腦,這台電腦以所謂的「量子退火法」或「量子隧穿效應」運作。就本質而言,這意味著你需要開發一套算法以便按照經典模型指定量子 bit 之間的互動方式,例如指明哪種應該被認定為「0」,哪種應該被認定為「1」等等,隨後你需要為量子的疊加創造出條件。在這種情況下,在回復至以「0」和「1」為代表的狀態之前,量子 bit 可以實現接近無限種可能性。這個過程的重點在於量子 bit 會根據算法的要求以耗能最低的方式運作,繼而得出最高效的答案。

如果這個過程已經讓你覺得難以理解,研發量子電腦的過程更是難上加難。早期的研究成果並不樂觀,沒有人知道在量子化的世界中到底發生了什麼。但不論如何,這個過程還是足以讓人感到欽佩。

在 2007 年,D-Wave 展示了一台擁有 16 個量子 bit 的設備,並嘗試用其解決數獨問題。當時這台設備並沒有引起廣泛的關注。加州大學柏克萊分校的電腦科學教授優曼許 · 沃茲內尼(Umesh Vazirani)認為 D-Wave 所謂的加快運算速度是對其研究成果的一種誤解,並堅稱即便當時展示的設備是一台真正意義上的量子電腦,即便其體內可以儲存數千個量子 bit,但這台設備的運算速度依然比不上一台手機。

自那時起,D-Wave 一直被認為是一家善於誇大其辭的公司。最大的難題在於人們很難對設備中所發生的一切作出精准測量。D-Wave 計劃對牽連活動作出測量,以表明這個可供量子電腦運作的前提確實存在。

但有專家對測試的真實性表示質疑。當 D-Wave 邀請獨立科學家再次對牽連活動進行測量時,懷疑者聲稱儘管牽連活動確實存在,但最具參考意義的指標正是設備的性能。

在 2013 年,D-Wave 推出了第二台設備。儘管有測試表明這台設備的性能為普通電腦的 3,600 倍,但領域內數位權威科學家堅持認為測試結果毫無價值可言。在 2014 年,電腦物理學領域的著名教授馬蒂亞斯 · 特羅耶(Matthias Troyer)發佈了一份報告,並聲稱他本人並未發現任何和量子化加速現象有關的證據。

麻省理工學院的教授斯科特 · 阿倫森(Scott Aaronson)一直對 D-Wave 的設備持質疑態度,他甚至還驕傲地稱自己為「D-Wave 首席質疑長」。在特羅耶發佈報告之後,阿倫森表示儘管量子化效應確實有可能在 D-Wave 的設備中發生,但我們不能因此而輕信量子化效應在其中扮演著關鍵角色,更不能斷定這些設備的運算能力要比普通電腦更強。

布朗內爾從未將這些質疑者放在心上,他聲稱大部分問題已經得到解決。他還透露 Google 曾於上一年進行過對比測試,最終發現 D-Wave 的量子電腦在解決問題時要比普通電腦快 1 億倍。

「如果這還不是量子計算。」布朗內爾問道,「那我們又怎麼能研發出比英特爾公司的晶片快上 1 億倍的設備?如果最終的原因不是量子計算,那麼我們必然是發現了一些超乎自然法則的現象,後一種可能性甚至比量子力學還要讓人感到興奮。我可以向全世界的科學家發起挑戰:如果這不是量子計算,那麼這究竟是什麼?」

即便是阿倫森也承認 Google 所作的測試具有重大意義。「這次測試完全展現出了 D-Wave 設備的性能,非常令人深刻。但儘管如此,我還是對 D-Wave 設備所使用的架構是否能實現真正意義上的量子計算感到懷疑。」

特羅耶並沒有對 Google 公司的測試感到信服。「你需要細心閱讀測試報告。」他表示,「D-Wave 的設備在解決難題時要比傳統算法快 1 億倍,但參照物只是特定的傳統算法。因此而宣稱 D-Wave 的設備比普通電腦快 1 億倍具有一定的誤導作用。」

在阿倫森眼中,這一系列質疑和反質疑的過程至少有一個好處,這個過程可以提升我們對量子力學的瞭解程度。尼可 · 哈里根(Nic Harrigan)在布里斯托大學的量子光學研究中心從事研究工作,該中心對量子力學領域的研究處於世界領先水平。

「儘管量子計算技術的應用前景十分光明。」哈里根表示,「即便目前還沒有人研發出了可以投入應用的量子電腦,但在嘗試的過程中我們依然獲益良多。這聽起來或許有點找下台階的意味,但量子力學是一門非常重要的理論,這門學科是我們瞭解宇宙的基礎,同時也是多項當下及未來技術的根據。因此,加深對量子力學的瞭解對於人類而言具有重要意義。而不可思議的是,其中一種觀察量子力學發生過程的絕佳方式是嘗試用量子力學的機制去解決計算難題,我們可以從中觀察到量子力學和經典物理學之間的區別。」

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在 Google 公司內部,許多員工對 D-Wave 設備的實用性持謹慎樂觀態度。工程部門領導人哈特穆特 · 奈文(Hartmut Neven)列舉了測試的優點和缺點,並承認有部分算法也可以在普通電腦上實現量子退火的效果。但奈文表示,未來的技術可以實現真正意義上的量子退火過程。「下一代設備必定會和實際問題聯繫得更加緊密。」他說到。

需要使用量子退火過程解決的難題普遍和最優化問題有關,電腦需要在複 雜的系統中尋找最優化的解決方式。

「最優化問題聽起來非常沈悶。」布朗尼爾說到,「但每門學科都有許多複 雜的應用難題會涉及到最優化問題。最優化問題對於人工智慧領域尤為重要,比方說你需要用電腦識別水瓶,電腦在完成這個任務時的表現並不如人類高效。但電腦技術正在持續發展,而量子計算技術的出現會讓電腦的發展過程進一步加快。」

基因學、經濟學和醫學都需要解決大量的最優化問題。在使用普通電腦的情況下,即便是構建金融產業常見的蒙特卡羅模擬過程也需要耗費龐大的計算能力,計算能力的產生需要消耗許多電能。

「你會發現許多大型網路設備的數據中心都設置在水力發電廠附近,因為這些設施在運轉過程中需要耗費許多電能。」布朗尼爾說到,「數據中心是全球第二大的電力消耗設施。」

他表示 D-Wave 的目標在於讓電腦產業變得更符合環保節能的要求,每一個人都可以通過雲方式接觸到更節能的量子計算設備。在數年內,我們可以通過手機接入到量子計算設備。

「我認為我們的企業將會成為歷史上最有價值的科技公司之一。」布朗尼爾說到,「我知道這目標聽起來過於宏大,但從我們所做的一切看來,我們將會成為未來數十年內量子計算領域的主導者。」

任何一位具有相當自信的 CEO 都會發表一番好言壯志,但 D-Wave 目前確實在量子計算領域處於領先狀態。至於這場競賽將會如何發展,所牽涉的有哪些因素,以及在多少個宇宙中存在,想要找出這些問題的答案,我們需要一台可以運作的量子電腦。

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