量子計(jì)算機(jī)用于解決實(shí)際問題不會(huì)是太遙遠(yuǎn)的將來。
雖然“谷歌實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)(quantumsupermacy)”的消息尚未坐實(shí)，但量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展速度已經(jīng)不可阻擋。
去年12月，一臺(tái)筆記本電腦即可模擬谷歌最好的量子計(jì)算機(jī);到了今年1月，一臺(tái)功能強(qiáng)大的臺(tái)式機(jī)尚可與之媲美;等到“量子霸權(quán)”實(shí)現(xiàn)后，經(jīng)典計(jì)算機(jī)的速度將無法再模擬量子計(jì)算機(jī)了。
量子計(jì)算第一階段
谷歌有望成為首個(gè)宣稱實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”的公司。早在去年谷歌就與NASA合作，致力于實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”。根據(jù)提前泄露的論文，谷歌已經(jīng)能夠利用一臺(tái)53量子比特的量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)架構(gòu)計(jì)算機(jī)無法完成的任務(wù)——在世界第一超算Summit需要計(jì)算1萬年的實(shí)驗(yàn)中，谷歌的量子計(jì)算機(jī)只用了3分20秒。
這是迄今為止表明量子計(jì)算機(jī)超越傳統(tǒng)架構(gòu)計(jì)算機(jī)，并走向?qū)嵱没顬閺?qiáng)烈的跡象。“相對(duì)于所有已知經(jīng)典算法而言，這種巨大的提速在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了計(jì)算任務(wù)上的量子霸權(quán)，并預(yù)示了人們期待已久的計(jì)算范式的出現(xiàn)。”谷歌在論文中寫道。
不過NASA很快就把這篇文章刪除了，谷歌官方也未對(duì)此表態(tài)。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)家認(rèn)為，這或許是一項(xiàng)尚未證實(shí)的實(shí)驗(yàn)和一篇尚未完成的論文提前被泄露了。“谷歌的實(shí)驗(yàn)很可能還沒有經(jīng)過認(rèn)證，提前被泄露了甚至可能引起相關(guān)的法律訴訟。”一位中科大從事量子物理研究的教授對(duì)第一財(cái)經(jīng)記者表示。
目前尚無法證實(shí)谷歌是否真正實(shí)現(xiàn)了所謂的“量子霸權(quán)”，也就是指當(dāng)量子計(jì)算機(jī)發(fā)展到50個(gè)比特時(shí)，計(jì)算能力將超越全球最快的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)“稱霸”。但谷歌和IBM都已分別在2017年11月和2018年3月宣稱實(shí)現(xiàn)了50個(gè)和72個(gè)量子位的原型機(jī)。
今年3月3日，谷歌量子AI實(shí)驗(yàn)室三名科學(xué)家MasoudMohseni、PeterRead和HartmutNeven在《自然》雜志上發(fā)表文章指出：“量子計(jì)算領(lǐng)域即將迎來歷史性的里程碑——量子霸權(quán)。雖然現(xiàn)在仍然不知道與應(yīng)用相關(guān)的算法是否能夠很快提升計(jì)算速度，但是只要量子計(jì)算的硬件，也就是量子計(jì)算機(jī)性能足夠強(qiáng)大，我們就能夠測試并且發(fā)展新的算法。”
量子計(jì)算機(jī)的研制目標(biāo)分為三個(gè)階段：第一個(gè)階段就是“量子霸權(quán)”階段;第二個(gè)階段是實(shí)用化量子模擬機(jī)階段，實(shí)現(xiàn)數(shù)百個(gè)量子比特相干操縱的專用型量子計(jì)算系統(tǒng)，應(yīng)用于具有實(shí)用價(jià)值的組合優(yōu)化、量子化學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等方面，指導(dǎo)新材料設(shè)計(jì)、藥物開發(fā)等;第三個(gè)階段是通用可編程的量子計(jì)算機(jī)階段，能夠相干操縱數(shù)億量子比特，實(shí)現(xiàn)可容錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)，能在經(jīng)典密碼破解、大數(shù)據(jù)搜索、人工智能等方面發(fā)揮巨大作用。
“如果完成三個(gè)階段，意味著人類實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算機(jī)的夢想，這將是人類實(shí)現(xiàn)第二次信息革命，全面進(jìn)入量子信息時(shí)代的標(biāo)志。”中科大副研究員張文卓對(duì)第一財(cái)經(jīng)記者表示。
目前，全球都仍處于第一階段的競逐中。在美國，從谷歌到IBM，在中國，從阿里巴巴到騰訊，世界頂尖的科技公司都在競相建造出第一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)。
關(guān)于量子計(jì)算機(jī)的“誤解”
歐洲量子通信領(lǐng)軍人物、日內(nèi)瓦大學(xué)教授尼古拉·吉森博士(NicolasGisin)對(duì)第一財(cái)經(jīng)記者表示：“谷歌的這篇論文很可能是作為科學(xué)文章來發(fā)表，目前還未到解禁期。文章很可能是正確且真實(shí)存在的，即便谷歌量子計(jì)算機(jī)所計(jì)算的題目是人為設(shè)定的，會(huì)令經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以達(dá)到。”
吉森教授還表示，量子計(jì)算機(jī)用于解決實(shí)際問題也不會(huì)是太遙遠(yuǎn)的將來。
目前科學(xué)家已經(jīng)開始模擬量子計(jì)算用于解決新藥研發(fā)和基因測序等方面的復(fù)雜問題。麻省理工學(xué)院教授PeterShor在日前中科大的一場墨子沙龍活動(dòng)上表示：“我認(rèn)為量子計(jì)算機(jī)要產(chǎn)生實(shí)際的作用，可能需要至少等上十年甚至更多的時(shí)間，才能夠讓一些實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)做比較大的數(shù)字的因子分解。”
Shor教授還表示，量子計(jì)算機(jī)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)的速度是很難做比較的，這就好像無法回答“火車要比船快多少的問題”。“這不僅僅取決于運(yùn)輸方式，還取決于目的地在哪里。”Shor教授表示。
他認(rèn)為，人們對(duì)于量子計(jì)算機(jī)還存在著很多誤解，不應(yīng)該單從速度的角度將量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)來作比較。“量子計(jì)算機(jī)不僅是經(jīng)典計(jì)算機(jī)更快的版本，公眾的誤解非常普遍，他們覺得計(jì)算機(jī)非常重要的就是空間以及它的速度多快，而不是它的記憶、儲(chǔ)存。”Shor教授解釋道，“量子計(jì)算機(jī)上的每一步幾乎肯定要比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)復(fù)雜，但是量子計(jì)算機(jī)可以通過利用量子力學(xué)特性的算法，大大減少所需要的部署，從而加快計(jì)算的速度，這個(gè)是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)所不具備的。”
中科院院士、中科大教授潘建偉則表示，開發(fā)出這樣一種全功能的量子計(jì)算機(jī)和量子模擬器需要很長時(shí)間，但人們已經(jīng)開始使用一些局部的量子模擬，也就是所謂的“半量子模擬”來做相應(yīng)的工作，從而支持到我們的機(jī)器學(xué)習(xí)等等，這也是很有實(shí)用價(jià)值的。
根據(jù)波士頓咨詢(BCG)援引部分制藥行業(yè)的高管預(yù)估，量子模擬可將藥物發(fā)現(xiàn)率提高5%到10%，并節(jié)省15%到20%的研發(fā)時(shí)間。與此同時(shí)，他們還認(rèn)為更優(yōu)的分子設(shè)計(jì)將推動(dòng)藥物審批效率。BCG預(yù)測2030年，在制藥行業(yè)，量子計(jì)算市場規(guī)模將達(dá)200億美元，化學(xué)、材料科學(xué)等科技密集型產(chǎn)業(yè)的規(guī)模將達(dá)70億美元。
BCG引用一家大型制藥公司研發(fā)部門的負(fù)責(zé)人的話稱：“在原子水平上，目前的高性能計(jì)算無法處理大多數(shù)的模擬，量子計(jì)算可以成倍地提高藥物發(fā)現(xiàn)概率。在美國，如果復(fù)雜的量子模擬是可行的，有10%的公司愿意為其承擔(dān)費(fèi)用，這對(duì)應(yīng)著150億到300億美元的量子計(jì)算市場機(jī)會(huì)。事實(shí)上，目前全球高性能計(jì)算的市場規(guī)模是100億美元。”
競爭
盡管谷歌如果率先宣稱實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”將是一個(gè)了不起的進(jìn)步，但谷歌在美國的競爭對(duì)手IBM對(duì)此并不感冒，反而是提出了一個(gè)叫做“量子優(yōu)勢”的概念。IBM的量子計(jì)算戰(zhàn)略負(fù)責(zé)人RobertSutor介紹道：“量子優(yōu)勢，是在一個(gè)真實(shí)應(yīng)用場景，比如金融服務(wù)、AI、化學(xué)中，量子計(jì)算機(jī)做出了比任何經(jīng)典計(jì)算機(jī)要明顯優(yōu)秀的工作。”
IBM一直在探索量子計(jì)算的應(yīng)用，還在線上對(duì)外開放了一臺(tái)53比特的通用量子計(jì)算機(jī)IBMQ。這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)位于紐約，去年5月就已經(jīng)投入在線運(yùn)行。今年年初，IBM宣布了量子計(jì)算機(jī)的商業(yè)化方案，希望更多研究人員能夠使用其在線量子計(jì)算系統(tǒng)。未來這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)有望在更多領(lǐng)域發(fā)揮用途，比如發(fā)現(xiàn)新材料和新藥物，以及讓人工智能變得更強(qiáng)大。
不過，谷歌研究院、加州理工學(xué)院的理論物理學(xué)家FernandoBrando認(rèn)為，在達(dá)成“量子霸權(quán)”之前，量子計(jì)算機(jī)不可能做出什么有意思的事。
張文卓對(duì)第一財(cái)經(jīng)記者表示：“實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的物理方案有很多種，互相競爭，IBM和谷歌的系統(tǒng)不一樣，使用離子阱方案，無法擴(kuò)展到很大，相比之下谷歌使用的是超導(dǎo)電路方案，原則上可以無限制擴(kuò)展，這樣看來，谷歌投的方案前景更大。”
谷歌的科學(xué)家認(rèn)為，未來幾十年學(xué)界、行業(yè)和國家實(shí)驗(yàn)室需要聯(lián)合起來開發(fā)量子模擬和量子機(jī)器學(xué)習(xí)的算法。“谷歌將基于云服務(wù)提供谷歌量子處理器的入口，來支持那些缺乏資金、技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施支撐的機(jī)構(gòu)的研究。”谷歌研究人員表示。
根據(jù)谷歌的定義，終極量子計(jì)算機(jī)將能夠容忍噪音和錯(cuò)誤，而且原則上能夠處理任何問題。理論上講，它們需要更強(qiáng)大的處理器，能夠包容更多的量子比特，而且為了達(dá)到糾錯(cuò)功能，還需要機(jī)器冗余，不過要實(shí)現(xiàn)這樣的技術(shù)至少還要等上10年左右。
對(duì)于量子計(jì)算機(jī)的商業(yè)化前景，谷歌表示：“對(duì)于量子計(jì)算的保守估計(jì)，投資者預(yù)計(jì)只能在長期獲得回報(bào)。盡管如此，我們依然認(rèn)為，隨著小型的量子計(jì)算機(jī)會(huì)在5年內(nèi)逐漸興起，短期的回報(bào)仍然是有可能的，雖然這些設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)完全的糾錯(cuò)功能。”
