量子計算能做什么？谷歌和微軟競賽白熱化

　　“我相信，人工智能的進步與量子計算相結(jié)合，將帶來一場行業(yè)革命。”近幾十年來，計算界一直遵循“摩爾定律”。然而，隨著半導體行業(yè)接近物理極限，開發(fā)量子計算機的需求變得迫切起來。

　　【編者按】IBM研究院（IBM Research）院長達里奧·吉爾（Dario Gil）教授處于量子計算革命的最前沿，這場革命即將從根本上改變我們的世界。在近日接受以色列媒體CTech的專訪中，他解釋了哪些挑戰(zhàn)推遲了這一夢想的實現(xiàn)，為什么需要成為一個愛因斯坦才能理解量子計算，以及我們何時才能最終開始使用量子計算。

　　以下為采訪文章編譯：在IBM發(fā)布的幾張圖片中，他們的量子計算實驗室看起來就像宇宙飛船的引擎室：明亮的白色房間，無數(shù)電纜從天花板垂到浮動的地板上，上面布滿了通風口。一排排金屬支架，上面懸掛著看起來像白色太陽能熱水器的東西。在這些“熱水器”里，一場歷史性的革命正在醞釀。擁有超過一個世紀歷史的計算機巨頭IBM，正試圖通過贏得有史以來最艱苦、最昂貴和最有潛力的科學競賽之一來重塑自己：開發(fā)量子計算機?！拔覀冋钤谟嬎闶飞献罴尤诵牡臅r代。”IBM高級副總裁、公司研究部門負責人達里奧-吉爾說?！拔覀冋谝娮C一個類似于上個世紀40年代和50年代記錄的時刻，當時第一批經(jīng)典計算機被制造出來?！边@次談話幾周后，他的說法得到了進一步證實，諾貝爾獎委員會宣布將物理學獎頒發(fā)給三位研究人員，他們的研究成為量子計算領域發(fā)展的里程碑。吉爾在全球物理學家和計算機工程師中擁有很大名望，正領導世界上最先進的量子計算機開發(fā)工作。

　　今年9月，當吉爾對特拉維夫進行短期訪問并在IBM的會議上做開幕演講時，大廳里擠滿了高級工程師，來自以色列頂尖大學的研究人員以及政府機構(gòu)的代表都被吉爾的演講所吸引。IBM研究院院長達里奧·吉爾（Dario Gil）教授。圖片來源：Elad Gershgoren現(xiàn)年46歲的吉爾出生于西班牙，移居美國，在麻省理工學院學習并完成了博士學業(yè)，畢業(yè)后立即開始在IBM工作，擔任一系列研發(fā)職位。自2019年以來，他一直領導該公司的研究部門，該部門在包括以色列在內(nèi)的21個地點擁有3000名工程師。

　　在他的管理下，2016年，IBM開發(fā)了第一臺量子計算機，向所有人開放服務：如果你有一個復雜的問題需要解決，可以去IBM量子體驗網(wǎng)站，通過云計算遠程訪問其中一臺量子計算機，也許能收到答案。“量子計算不僅僅是一個極速計算機的名字?！奔獱栒f。事實上，量子計算機不再是一臺使用所有經(jīng)典計算機都采用的二進制方法的超級計算機，而是一臺全新的機器，是從貝殼串、珠串、用于計算的條子，到基于齒輪的機械計算機、電子計算機，再到量子計算機的進化史上的又一發(fā)明。吉爾解釋說：“從本質(zhì)上說，量子計算機是一種自然模擬器，通過它可以模擬自然過程，從而解決以前無法解決的問題。如果說傳統(tǒng)計算機是數(shù)學和信息的結(jié)合，那么量子計算就是物理和信息的結(jié)合?！?/p>

　　有了這種連接，就可能以前所未有的速度解決某類問題：谷歌也在開發(fā)一種量子計算機，2019年時便聲稱它已經(jīng)達到了“量子霸權”——這證明了量子計算機遠比傳統(tǒng)計算機更高效。谷歌的研究人員展示了量子計算機如何在200秒內(nèi)完成傳統(tǒng)計算機需要一萬年才能完成的計算。這一說法后來被其他研究人員推翻了，他們提出了一種算法，可以讓傳統(tǒng)計算機在合理的時間內(nèi)執(zhí)行同樣的計算。即便如此，谷歌的這次失敗也讓人們了解到量子計算機擁有的巨大能量。吉爾認為：“量子計算機不會讓傳統(tǒng)計算機變得多余：它們將共存，用于解決不同的問題。這就像問你如何從A地到B地：你可以步行、騎自行車、開車或坐飛機。如果這兩點之間的距離是50千米，你不會選擇坐飛機，相應的，這是一種適用于傳統(tǒng)計算機的模式。但量子計算機可以讓你快速地飛到其他地方，甚至是月球上。”

　　量子計算能做什么？

　　“量子計算將使我們有可能破解一系列看似無法解決的問題，從而改變世界。其中許多問題都與能源有關。另一些則與開發(fā)新材料有關。現(xiàn)代人傾向于認為我們可用的材料是理所當然的，但在過去，有些時代是由占主導地位的材料定義的，比如‘石器時代’、‘青銅時代’、‘鐵器時代’。量子計算將幫助我們開發(fā)具有新特性的材料，因此，工業(yè)是第一個已經(jīng)在使用它的行業(yè)，特別是汽車工業(yè)：汽車制造商需要更好的化學物質(zhì)，以此生產(chǎn)更高效、更耐用的電動汽車電池。對于一臺普通的計算機來說，這是一項巨大的任務，為了完成它，我們必須放棄準確性，只滿足于近似的答案。但量子計算甚至可以在不進入實驗室的情況下，幫助快速開發(fā)適合這項任務的材料。量子計算機在化學問題上的效率也應用于制藥業(yè)：研究人員使用這種計算機來檢驗分子的性質(zhì)，從而加快新藥的開發(fā)。此外，在化肥工業(yè)，量子計算將有助于開發(fā)出生產(chǎn)過程不會破壞環(huán)境的物質(zhì)。”吉爾說。量子計算的用途并不局限于物質(zhì)世界。

　　“例如，對于金融行業(yè)來說，量子計算機能夠進行場景分析、風險管理和預測。從業(yè)者對這種可能的應用途徑非常感興趣，這將為公眾顯著提高投資組合的表現(xiàn)?！迸c此同時，量子計算將促使一些行業(yè)重新規(guī)劃發(fā)展路徑，信息安全行業(yè)首當其沖。現(xiàn)代的加密系統(tǒng)（主要是RSA，其開發(fā)人員之一是以色列的Adi Shamir教授）是不對稱的：每個接收者發(fā)布一個代碼，允許發(fā)送給他們的信息被加密，其中包括兩個被加密的大素數(shù)的乘積。要破譯加密的信息，這個產(chǎn)品必須在不知道初始數(shù)字是什么的情況下，被分解成因子?！巴瓿蛇@項任務，一臺普通計算機需要計算多年，”吉爾解釋說，“然而，量子計算機可能只需要幾秒鐘就能完成?！?/p>

　　這對整個計算行業(yè)都是一個真正的威脅，其背后的邏輯從上世紀70年代就已經(jīng)建立起來，而現(xiàn)在突然在它下面出現(xiàn)了裂縫?！耙慌_普通計算機需要一萬年才能解決量子計算機瞬間就能解決的加密問題。這就是為什么量子計算機威脅到了網(wǎng)絡空間和加密世界，因為這是所有全球信息安全的基礎。這個例子與物理或自然無關，而只與量子計算機更強、更快的計算能力有關?！?/p>

　　違反了所有直覺規(guī)律的電腦

　　要理解量子計算機的威力，首先必須打破“量子計算”這個概念。第一步是忘記比特和二進制，停止用1和0的概念來思考。理解量子計算的關鍵是認識到這種二分法并不存在：量子計算依賴于一個被稱為量子位（qubit）（quantum bit的縮寫）的基本信息單位，而不是比特。量子位同時是1、0和介于兩者之間的所有東西。現(xiàn)在來解釋量子計算機的基礎理論，它似乎是違背常識的?！傲孔永碚撌沟媒忉尫浅７浅Ｐ〉牧Ｗ拥男袨槌蔀榭赡??！奔獱柦忉尩?，“在學校里，我們看到的是一個看起來像行星的原子模型，原子核和電子在周圍移動，但在20世紀初，這個模型被證明不是很準確?！?/p>

　　當馬克斯·普朗克（Max Planck）和阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）等物理學家意識到，在此之前被物理學視為“波”的光，也表現(xiàn)為粒子，這種粒子的能量只能用“量子”躍遷來描述，也就是離散數(shù)據(jù)包。在隨后的幾十年里，這個理論得到了越來越多的發(fā)展，并被證明可以有效地描述粒子世界中的各種現(xiàn)象。然而，即使在今天，它的深層含義仍然不為人知。例如，一個粒子存在于多個地方。根據(jù)量子理論，在兩點間運動的粒子在這之間所有路徑上同時運動，這種狀態(tài)被稱為“疊加”。并不是我們不知道它的確切位置，而是它沒有確切位置。

　　相反，它有一個共存的可能位置的分布。換句話說，現(xiàn)實不是確定的，而是概率的。這并不是量子理論帶來的唯一難題。另一個令人困惑的概念是“量子糾纏”，在這種情況下，幾個粒子表現(xiàn)出相同的物理值，并對其中一個粒子的變化同時作出反應，即使它們彼此相距很遠。吉爾建議把它想象成拋兩個硬幣：任何學過統(tǒng)計學的人都知道，得到“正面”或“反面”的概率是獨立的。但在量子模型中，如果硬幣（也就是粒子）是纏繞在一起的，那么扔其中一個硬幣會在另一個硬幣中產(chǎn)生相同的結(jié)果。“愛因斯坦不相信纏繞，他討厭這些表現(xiàn)形式?！奔獱栃χf。

　　影響結(jié)果的測量？現(xiàn)實不是絕對的，而是統(tǒng)計的？粒子即使在無限遠處也能成為“雙胞胎”粒子？很多人覺得這些想法聽起來是令人困惑、難以理解以及違反直覺的?！敖佑|量子理論而不感到震驚的人，都沒有理解它?！蔽锢韺W家尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）說。他與愛因斯坦是同時代人，也是死敵，因?qū)υ摾碚摪l(fā)展的貢獻而獲得諾貝爾獎（愛因斯坦對玻爾理論的解釋持保留意見）。

　　另一位因?qū)α孔永碚摰呢暙I而獲得諾貝爾獎的物理學家理查德·費曼（Richard Feynman）對此評論道：“如果你認為自己已經(jīng)理解了量子理論，那你就沒有。”費曼也是量子計算之父：他想要模擬粒子的行為，但由于理論的概率性質(zhì)，想要進行這種模擬的傳統(tǒng)計算機需要大量計算，因此模擬變得不切實際。

　　“費曼和其他物理學家一樣，認為計算領域?qū)Ｗ⒂跀?shù)學，離自然太遠了，物理學可以與信息世界聯(lián)系得更緊密?！奔獱柦忉尩?，“在1981年的一次具有歷史意義的演講中，費曼聲稱，沒有任何東西可以幫助傳統(tǒng)計算機來處理粒子模擬，因為自然不是傳統(tǒng)的。他說，‘如果我們想模擬自然，我們需要一臺以量子方式像自然一樣行動的機器?！?998年，這一設想實現(xiàn)了，第一臺量子計算機在英國牛津大學建成。

　　量子計算機利用量子理論那些我們還沒有完全理解的特性來執(zhí)行計算操作。在普通計算機中，信息的基本單位是“位”，它可以有兩個值：0或1；使用這些比特可以執(zhí)行任何可以想象到的計算——盡管其中一些計算可能需要很長時間。在量子計算機中，由于量子疊加，量子位代表的不是一個絕對值，而是值的分布。吉爾解釋說：“你可以把它想象成一個多維度的問題：1和0只是兩個端點，比如硬幣的兩極，但它也可以有側(cè)向傾斜?！?/p>

　　使用統(tǒng)計方法可以檢查量子位的狀態(tài)并獲得有用的結(jié)果。這種概率方法并不適用于所有問題，但在解決某些問題時，它比傳統(tǒng)計算機尋找絕對答案的效率要高得多。“量子糾纏效應也有可能使量子位相互影響?！奔獱栒f。由于每個量子位代表了整個可能性域，每增加一個量子位，量子位之間可能的連接數(shù)量就會以指數(shù)級增長（另一方面，在傳統(tǒng)計算機中，位的增加是線性的）。目前，IBM保持著量子位的紀錄：去年，它發(fā)布了一款具有127個量子位的量子處理器。IBM聲明其目標是今年推出一款具有433個量子位的處理器，明年推出一款具有1021個量子位的處理器。

　　IBM的量子系統(tǒng)Quantum System One。“比外太空冷三攝氏度”

　　這個野心看起來很狂妄。事實證明，“建造一臺像自然一樣運轉(zhuǎn)的機器”是一件非常復雜的事：量子位對外界影響非常敏感，這使得建造一臺計算機非常復雜且代價昂貴。吉爾解釋說：“量子計算機非常強大，但同時也非常微妙，它利用了自然界中發(fā)生的物理過程，但這種過程是相互聯(lián)系、相互影響的一個系統(tǒng)，這也可能導致對結(jié)果的破壞：如果外部世界的能量進入內(nèi)部，并連接到量子位，將使它們表現(xiàn)得像普通比特，從而失去量子計算的獨特能力。因此，量子計算機必須與整個環(huán)境隔離。最大的挑戰(zhàn)是建立一個與外界充分隔離，但又不過于隔離的系統(tǒng)?！?/p>

　　當我試圖弄清建造一臺量子計算機的成本是多少時（IBM已經(jīng)建造了40臺量子計算機），吉爾沒有給出明確的答案，但講述了一些建造的細節(jié)：“建造一臺量子計算機有幾種不同的方法，IBM選擇了低溫方法，即深度冷凍，并使用超導體。計算機的溫度接近絕對零度：外殼底部的溫度是零下273攝氏度——比外太空的溫度低3攝氏度，比絕對零度高不到1攝氏度。溫度應該接近絕對零度，但不能達到絕對零度，因為那樣就沒有任何運動，甚至原子也不會運動。”這個冷卻和保護外殼的形狀類似熱水器，里面有一個計算單元，吉爾和他的團隊給了它一個綽號“吊燈”。

　　“在保護層內(nèi)部有一個裝有處理器的圓柱體。即使只有一小部分能量粒子進入計算機，從字面上看就是一個零頭，它也足以破壞結(jié)果?！奔獱柍吻逭f。高靈敏度和由此產(chǎn)生的保護要求，意味著量子計算機相當笨重：在試圖包含越來越多量子位的最新型號中，機箱已經(jīng)達到了幾米的高度。在某種程度上，它讓人想起第一代傳統(tǒng)電腦，看起來像巨大的櫥柜。傳統(tǒng)計算機越來越小，直到今天，我們把數(shù)百萬倍的計算能力塞進一個簡單的智能手機。

　　但在量子計算機的發(fā)展中，我們不能期望類似的過程?！傲孔佑嬎銠C需要獨特的條件，不能在一個簡單的終端設備產(chǎn)生，這一條件在可預見的未來不會改變?！奔獱柦忉屨f，“我相信量子計算將是一種我們可以遠程訪問的服務，就像我們今天訪問云服務一樣。它的工作原理將類似于IBM今天已經(jīng)實現(xiàn)的功能：計算機與我們坐在一起，我們使它能夠訪問“大腦”并接收信息。自2016年以來，我們制造了40臺計算機，現(xiàn)在有20臺可供公眾使用。全世界大約有50萬用戶已經(jīng)使用了我們建造的量子計算機，大約有1000份相關科學出版物已經(jīng)出版?！?/p>

　　谷歌和微軟的競賽正在白熱化

　　IBM不是唯一一家參與量子計算競賽的公司，但吉爾對自己領導這場競賽的能力充滿信心。根據(jù)他的說法，大多數(shù)競爭對手只擁有整個系統(tǒng)的一部分，但沒有一臺完整的計算機可以用來解決問題。谷歌是這場競賽中強有力的競爭者，它還允許遠程訪問其量子計算服務——谷歌量子AI；微軟也努力在其云平臺Azure上提供類似的服務。與此同時，量子計算是一個“紙上談兵”的承諾。

　　這場革命的理論基礎早在40年前就已經(jīng)奠定，第一個證據(jù)早在20多年前就提出了，整個行業(yè)在這個領域的討論已持續(xù)好幾年，但它還沒有能服務于普通人?！叭绻慊氐?0世紀40年代，當?shù)谝慌_計算機被發(fā)明出來，你會發(fā)現(xiàn)同樣在那個時候，新發(fā)明的用途和優(yōu)勢也不清楚。那些看到第一代計算機的人說，‘哦，太好了，你可以用它在戰(zhàn)爭中破解加密機器的密碼，甚至可能計算彈道導彈的路線，就是這樣。誰會用它呢？沒有人。同樣，量子計算的成功將取決于它的用途：編程有多容易，用戶群體有多大，人才數(shù)量有多少。量子革命將由一個團體領導，這就是為什么這個領域的教育如此重要：我們需要越來越多的聰明人開始思考‘我如何使用量子計算來推進我的領域’?！?/p>

　　“量子計算的民主化階段開始了，這將允許任何人與計算機進行通信，而無需是該領域的高級程序員。這表明將有可能用1或0的經(jīng)典語言編寫一個問題或任務來使用它。”這就是為什么我們現(xiàn)在已經(jīng)看到了更多量子計算能力的應用。“也有很多初創(chuàng)公司并沒有真正致力于建立量子計算機，而是專注于各個組成部分（例如，以色列公司Quantum Machines），它為量子計算機開發(fā)硬件和軟件系統(tǒng)，去年7月被創(chuàng)新管理局（Innovation Authority）選中建立以色列量子計算中心（Israel Quantum Computing Center）。

　　這些公司的活動創(chuàng)造了一個全新的生態(tài)系統(tǒng)，從而促進了該行業(yè)的發(fā)展，就像今天在傳統(tǒng)計算機領域所發(fā)生的一樣。IBM也不會只依靠自己：我們希望從這個領域的聰明人的創(chuàng)新中受益，當然也包括以色列。”“我確信量子計算的大爆炸將在這十年發(fā)生。我們IBM的雄心是在未來三年內(nèi)展示‘量子霸權’。我相信，人工智能的進步與量子計算相結(jié)合，將帶來一場行業(yè)革命，就像英偉達在其市場上所做的那樣（英偉達為游戲電腦開發(fā)了獨特的處理器，這使它成為營收最快達到10億美元的芯片公司）。量子計算可以在行業(yè)中產(chǎn)生巨大的價值。這是非常困難的，但我相信，我們將在這十年看到它的發(fā)展?！?/p>

　　諾獎為量子計算的發(fā)展打開了局面

　　幾十年來，量子計算一直激發(fā)著研究人員的想象力，但直到現(xiàn)在，它都沒有離開實驗室的局限。然而，諾貝爾獎授予該領域的三位研究人員表明，這一愿景正在成為一場真正的革命。法國的阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、美國的約翰·克勞瑟（John Clauser）和奧地利的安東·澤林格（Anton Zeilinger）因他們自20世紀70年代以來分別進行的研究而獲獎，他們研究了量子糾纏現(xiàn)象，證明了量子糾纏的存在，并為其技術應用鋪平了道路。諾貝爾獎授予量子糾纏研究人員，證明了量子計算不僅僅是一部分物理學家的腦力鍛煉，對投資該領域發(fā)展的公司來說也是一個決定性的時刻。

　　之所以做出這樣的決定，是因為他們所處的世界發(fā)生了根本性的變化：近幾十年來，計算界一直遵循“摩爾定律”，該定律預測計算機處理器中晶體管的密度每兩年翻一番，以此提高這些芯片的計算能力。然而，隨著半導體行業(yè)接近物理極限（超過這個極限就不可能在一個芯片上塞進更多的晶體管），開發(fā)量子計算機的需求變得迫切起來。這些數(shù)字也預示著該領域正在發(fā)生的一些變化。

　　在2020年，量子計算市場的規(guī)模還不到5億美元。但在2021年底，研究公司IDC發(fā)布了一項研究預測，到2027年，該市場的規(guī)模將達到86億美元，該領域的投資將達到160億美元（相比之下，2020年為7億美元，2021年為14億美元）。IBM首席執(zhí)行官阿溫德·克里希納（Arvind Krishna）最近也估計，到2027年，量子計算將成為一個真正的商業(yè)產(chǎn)業(yè)。

　　編輯：黃飛