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抛开炒作与成见,认真谈一谈量子计算机

2018-02-26 16:28    it168网站 原创  作者: 谢涛编译 编辑: 谢涛

  【IT168 编译】在纽约市以北50英里一个葱葱郁郁的小乡村里有一个实验室,它的天花板上悬挂着一套复杂的管子和电子设备。这堆乱七八糟的设备是一台计算机。然而它不是一台普通的计算机,也许,它将成为其所处领域最重要的里程碑之一。

  正如我们一直所听到的,量子计算机的计算能力远远超出了传统计算机的范围。通过超强的计算力,量子计算机可以使原子水平上的物质行为模拟成为可能,从而为新材料的发现带来新一轮革命。它也可以借助超强的代码对加密和安全进行更深一步优化。甚至还可以通过更有效地处理数据来增强人工智能。

  迄今为止,经过几十年的逐步发展,研究人员终于无限接近于制造出足够强大的量子计算机,来完成任何传统计算机都无法胜任的工作。这一具有重大意义的分界线,被人们戏称为“量子霸权”。谷歌在走向这一里程碑的道路上一直处于引领状态,英特尔和微软在这方面也正努力。另外还有一些资金雄厚的初创公司如Rigetti Computing、IonQ和Quantum Circuits等。

  在这个领域,IBM的历史十分悠久。50年前,该公司在材料科学方面取得的进步,为计算机革命奠定了基础。这就是为什么笔者在去年10月前往IBM的托马斯·J·沃森研究中心(Thomas J. Watson Research Center)尝试寻找这些问题的答案:量子计算机有什么用处?一个实用的、可靠的量子计算机真的可以被建造出来吗?

  为什么我们需要一台量子计算机?

  这个位于约克敦海茨(Yorktown Heights)的研究中心看起来有点像1961年想象中的飞碟。它是由新未来主义建筑师Eero Saarinen设计的,并在IBM的鼎盛时期作为大型机的研发中心而建立。IBM曾是世界上最大的计算机公司,在该研究中心建设的十年之内,当时它已成为世界第五大公司,仅次于福特和通用电气。

  虽然大楼的走廊可以看到外面乡村的景象,但内部的办公室里却没有任何窗户。笔者在这些与世隔绝的房间里遇到了查尔斯·班尼特(Charles Bennett)。他70多岁,有白色鬓角,穿着一双黑色的袜子和凉鞋,甚至还随身戴着一个笔套来装他的笔。他被老式的电脑显示器、化学模型和(奇怪的是)一个小型的迪斯科球包围着,他回忆起量子计算的诞生,像是在昨天。


IBM 研究院的查尔斯·班尼特是量子信息论的创始人之一。他在IBM的工作为量子计算创造了理论基础。

  班尼特在1972年加入IBM的时候,量子物理学已经有半个世纪的历史了,但计算仍然依赖于经典物理学和克劳德·香农(Claude Shannon)在上世纪50年代在麻省理工学院开发的信息数学理论。香农把需要信息的数量定义为“比特”(即信息量单位)。二进制代码的0和1是所有传统计算的基础。

  在到达约克敦海茨一年后,班尼特帮助奠定了量子信息论的基础,这一理论将对以上这一切发起挑战。它依赖于利用原子尺度上物体的特殊行为。在这种尺度下,粒子可以同时以许多不同的状态存在(例如,许多不同的位置)。两个粒子也可以表现出“纠缠”,所以改变一个粒子的状态会瞬间影响另一个。

  班尼特和其他人意识到,有些指数级时间消耗、甚至不可能实现的计算指令可以在量子现象的帮助下有效地执行。量子计算机可以通过量子比特(或量子位,quantum bits)存储信息。量子比特可以存在于1和0的叠加中,而且纠缠和干扰可以用来在指数级的大量状态下找到一个计算解决方案。将量子计算机和传统计算机做比较是非常困难的,但是粗略地说,只有几百个量子比特的量子计算机能够同时比已知宇宙中的原子执行更多的计算。

  在1981年的夏天,IBM和麻省理工学院组织了一个里程碑式的活动,叫做第一次计算物理会议(First Conference on the Physics of Computation)。它是在迪恩科特大厦(Endicott House)举行的,这家法国风格的豪宅离麻省理工学院不远。

  在班尼特在会议上拍摄的一张照片中,有几位来自计算机和量子物理学史上最具影响力的人物,包括开发第一台可编程计算机的康拉德·楚泽(Konrad Zuse),和量子理论的重要贡献者理查德·费曼(Richard Feynman)。费曼在会议的主题演讲中提出了利用量子效应进行计算的想法。班尼特告诉笔者:“量子信息理论最大的推动力来自费曼。他曾说过,‘自然是量子的,所以如果我们想要模拟它,我们就需要一台量子计算机。’”

  IBM的量子计算机——目前最具发展前景的计算机之一,坐落在班尼特办公室的大厅里。这台机器被设计用来创建和操纵基本元素:存储信息的量子比特。


IBM公司的这个实验室里有连接到云的量子机器。

  梦想与现实之间的差距

  这台IBM的机器利用超导材料中的量子现象。例如,有时电流会顺时针和逆时针方向流动。IBM的计算机使用超导电路,其中两个截然不同的电磁能量状态构成一个量子比特。

  超导方法具有重要的优势。硬件可以很好地通过完善的方法制造,而传统的计算机则可以用来控制系统。超导电路中的量子比特也比单个光子或离子更容易操作,也不那么脆弱。

  在IBM的量子实验室里,工程师们正在研制一种有50个量子比特的计算机。你可以在普通计算机上模拟一个简单的量子计算机,但是在大约50个量子比特以上几乎是不可能的。这意味着,从理论上讲,IBM正在接近那个量子计算机能够解决经典计算机不能解决的问题的临界点:换句话说,就是量子霸权。

  但正如IBM的研究人员所说的那样,量子霸权是一个难以捉摸的概念。现实中量子计算机总会被需要纠正的错误所困扰,这时你就需要所有50个量子比特都完美地工作。在任何时间内保持量子比特也是极其困难的,它们倾向于“解码”,或者失去它们微妙的量子特性,就像一个烟圈在最轻微的气流中破裂一样。而量子比特越多,挑战就越难。

  “如果你有50或100个量子位,而且它们真的很有效,而且是完全纠错的——你可以做一些深不可测的计算,这在任何经典机器上都是无法复制的。”耶鲁大学教授、Quantum Circuits公司创始人罗伯特·斯库尔科夫(Robert Schoelkopf)说。“量子计算的另一面就是,出错的可能也是指数级增长。”


IBM的量子计算机(底部)的芯片被冷却到15毫开尔文。

  另一个需要谨慎的理由是,即使是一个功能完美的量子计算机,它的用处也不明显。它无法简单地加速你的任务,事实上,在许多计算中,它实际上比传统机器还要慢。迄今为止,只有少数几种算法被设计出来,让量子计算机具有显著优势。即便如此,这种优势可能是短暂的。最著名的量子算法是由麻省理工学院的Peter Shor开发的,其目的是寻找一个整数的质因子。许多常见的加密方案都依赖于这样一个事实:传统的计算机很难做到这一点。但是密码学可以适应,创造出新的不依赖因子分解的代码。

  这就是为什么IBM自己的研究人员在不断接近50量子比特里程碑时,也热衷于消除围绕这一领域的各种炒作。在走廊里的一张桌子上,笔者看到了外面茂密的草坪,遇到了杰伊·甘伯塔(Jay Gambetta),他是一个身材高大、性格外向的澳大利亚人,研究量子算法和IBM硬件的潜在应用。“我们正处于这个独特的阶段,”他说着。“我们的这个设备比在传统计算机上模拟的量子计算机更复杂,但它还不能像我们所熟知的、在传统计算机上那样控制算法精确度。”

  给IBM带来希望的是,即使是一个不完美的量子计算机,也是有用的。

  甘伯塔和其他研究人员将注意力集中在费曼在1981年设想的一个应用上。化学反应和材料的性质是由原子和分子之间的相互作用决定的。这些相互作用受量子现象的支配。量子计算机至少在理论上是可以的,而传统的计算机则不能。

  去年,甘伯塔和IBM的同事们使用一个7量子比特的机器来模拟铍氢化物的精确结构。只有3个原子,是有史以来用量子系统建模的最复杂的分子。最终,研究人员可能会使用量子计算机来设计更高效的太阳能电池,更有效的药物,或将阳光转化为清洁燃料的催化剂。

  完成这些目标还有很长的路要走,但是甘伯塔说,将易出错的量子计算机与传统计算机配对,可能会得到有价值的结果。

  从物理学家的梦想到工程师的噩梦

  “市场如此炒作的原因,也可能是大家都认识到量子计算实际上是真实的。”麻省理工学院(MIT)的教授Isaac Chuang说。“它不再是物理学家的梦想——变成了工程师的梦魇。”

  在20世纪90年代末和21世纪初,Chuang领导了一些最早的量子计算机的开发,在加利福尼亚的阿尔马登工作。虽然他不再研究这些问题,但他认为我们正处在一个非常大的起点上——量子计算最终将在人工智能领域发挥作用。

  但他也怀疑,革命不会真正开始,直到出现新一代的学生和黑客都能够使用的机器。量子计算机不仅需要不同的编程语言,而且需要从根本上不同的方式来思考什么是编程。正如甘伯塔所说:“我们真的不知道‘Hello, world’在量子计算机上是什么样子。”

  我们正开始探索。2016年,IBM将一台小型量子计算机连接到云上。使用一个名为QISKit的编程工具包,您可以在它上面运行简单的程序,成千上万的人,从学术研究人员到学生,已经建立了运行基本量子算法的QISKit程序。现在谷歌和其他公司也在网上推出他们刚刚起步的量子计算机。你不能用它们做太多事,但它们至少让实验室之外的人尝到了未来的滋味。

  创业社区也变得活跃起来。在看到IBM的量子计算机后不久,笔者就去了多伦多大学的商学院,参加了一场关于量子创业的竞赛。企业家们紧张地站起来,向一群教授和投资者展示他们的想法。一家公司希望利用量子计算机模拟金融市场。另一个计划借助量子计算机设计新的蛋白质。另一个人想要建造更先进的人工智能系统。在这个房间里得承认的是,每个团队都在提出一项基于某个技术革新的业务,而这种技术几乎不存在。但几乎没有人被这个事实吓倒。

  如果第一批量子计算机找不到实际用途,这种热情可能会变坏。对于那些真正了解困难的人,比如班尼特和Chuang,他们最理想的猜测是,第一批有用的机器还需要几年的时间——假设管理和操纵大量量子比特的问题不会太棘手。

  不过,专家们仍然抱有希望。当笔者问Chuang,自己两岁的儿子长大后,世界会是什么样子的时候,后者笑着回答说:“也许你的孩子会有一个制造量子计算机的工具箱。”

  原文作者:Will Knight

  来源:MIT Technology Review

标签: IBM , 计算机 , 量子计算
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