经济学人评量子计算:革命性技术通常会伴随泡沫兴起
2018-10-20 09:12:12
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来源:周掌柜

英国《经济学人》杂志近日撰文称,虽然许多科技巨头和各国政府都在努力发展量子计算,但这项技术有可能遭遇过度炒作,导致其从春天迈入冬天。然而,这项技术潜力确实巨大,所以最终还是会迎来火热夏天。以下为文章全文:

事后看来,计算似乎天生要通过电子元件来实现。但实际上,一直到1930年代末期,这一点仍然没有完全明确。1930年代初,美国工程师范内瓦·布什(Vannevar Bush)开发了一台机械电脑,由齿轮、滑轮和连杆组成,动力则来自电动马达的旋转。他的这台名为“微分分析器”(Differential Analyser)的机器要占据一个小房间,能够解开最多18个变量的方程式。

量子计算如今被寄予厚望,即便是当今全世界速度最快的超级计算机也可能被它远远甩在身后——至少在解决某些问题时的确如此。但现在,它也处在跟当初的传统计算机相似的发展时期。

原型已经可以发挥作用,但还无法确定这种设备最终会变成什么形态。例如,重要问题在于:“量子位”(相当于传统计算机里的晶体管)是否只能放置在一个冷却至超低温的超导线围成的细小圆环中,将离子束缚在磁场内,还是可以依赖于其他的技术。

随着量子计算机逐步发展,由各种各样软件创业公司组成的生态系统也开始涌现出来。大型企业、风险投资家和各国政府都在积极投入,为越来越多的新企业提供资金。一家名为“量子计算报告”(The Quantum Computing Report)的网站最近列出了其中的70家公司,他们很多都希望为这种新的设备编写软件(超过三分之一都以字母“Q”打头)。

在这个新兴行业中,谷歌、IBM、微软等科技巨头却展开了一场厮杀,希望能把开发者吸引到各自的量子平台上。有的内部人士已经开始发出警告:这个行业的步子有点过大,甚至预计会因为很多未能实现的承诺而引发“量子寒冬”。

很多人都认为,量子计算引发的兴奋之情会成为新一轮炒作周期的起点。但这项技术的确具备巨大的潜力,所以才需要对其加以重视。传统计算机以“比特”为单位进行“思考”,对应的值不是0就是1。量子位却具备“叠加态”,也就是可以同时处于两种“形态”。另外一个重要的量子概念是“纠缠”:量子位可以连接,所以一个量子位上的操作会影响被纠缠的量子位,使得它们的处理能力得到并行控制。

第一项功能可以让计算机具备巨大的内存。叠加态意味着每个量子位的数据存储能力可以翻倍。而64量子位计算机足以存储18 quintillion的数字(1 quintillion是1后面跟20个零)。之后可以通过纠缠来实现光速操作。量子位根据适合某个问题的算法来设置。系统会一直应用量子力学原则,直到它达到能够代表答案的那个状态。

要做到这一点是极其困难的。虽然研究人员掌握了配置量子位的艺术,但要让它们毫无瑕疵地运行仍然难以实现。因为任何的外部影响(例如震动或热量)都会导致这些精密的设备丢失1和0的叠加态,也就是发生“退化”,所以它们必须完全绝缘(因此就要借助超低温来放慢原子的移动速度)。

还需要借助其他许多量子位来探测和纠正各种错误。由于至少10年内似乎无法获得大量量子位,所以直到最近,研究人员都没有思考如何将量子计算机应用于实践。但在两年前,当硬件厂商开始开发具备两个以上量子位的机器时,这种情况开始发生变化。

进入Q时代

IBM在2016年引领了这一趋势,率先推出了5量子位计算机,之后在2017年推出20量子位计算机。该公司在去年11月发布了最新的“量子处理器”(QPU),总共拥有50个量子位,比英特尔的多出1个。

但这两款机器都在今年3月被拥有72个量子位的谷歌Bristlecone超过。还有一家名为Rigetti的创业公司最近宣布,他们开发了一款128量子位系统(虽然更多未必意味着更好:有些量子位比其他量子位更容易出错,而且目前缺乏公认的基准来衡量它们的质量)。与此同时,经典计算机越来越善于模仿量子计算机(最多大概能达到50量子位的水平),因而可以简化算法和应用的测试过程。

这种发展速度最近获得了量子力学领域的一位泰斗的赞赏,他就是加州理工学院的约翰·普利斯吉尔(John Preskill)。“拥有50到100个量子位的量子计算机在完成任务时的表现可以超过如今的经典数字计算机。”他在论文中写道,他将这类设备称作“嘈杂中型量子”(NISQ,所谓“嘈杂”(noisy)指的是量子位仍然会在某些时候易于犯错。)

创业公司QxBranch的迈克尔·布雷特(Michael Brett)认为,大公司都在努力探索量子计算机可能给他们带来什么影响。化学巨头巴斯夫和杜邦都希望了解这项技术能否帮助其“计算”有用的新材料的结构,例如通过催化剂减少生产化肥所需的能量。包括巴克莱和摩根大通在内的银行则希望借助这项技术来完成调节组合风险的任务。游戏开发商感兴趣的则是利用量子计算让视频游戏更加栩栩如生。

由于量子计算人才短缺,企业往往需要借助创业公司的帮助来实现这些工作,所以创业公司就扮演了咨询师的角色。这也给这些新的公司带来了收入,让他们获得知识产权,以便在日后开发真正的软件。Zapata Computing就是一个典型例子:这家从麻省理工学院分拆出来的公司由多位博士组成,他们开发了许多书面形式的程序。用他们的老板克里斯多夫·萨沃伊(Christopher Savoie)的话说,这“就像是活页乐谱”。

量子收获

这个领域获得了风险投资公司的大量资助,去年的投资额接近2.5亿美元。科技公司也在投入大量资源。IBM在该领域的研究时间最长。该公司研究部门全球总监阿文的·克里施纳(Arvind Krishna)认为他们所做的工作堪比该公司在1960年代为大型机开发市场。

IBM从1970年代开始启动量子研究,2016年将5量子位计算机引入线上,好让其他人也能使用其编写程序(他们称之为“Q体验”)。IBM之后又为程序员设计了工具,帮助麻省理工学院制作了在线量子课程,还创建了一个由企业和其他大学共同组建的网络来探索实际应用。

2014-2018年,风投对量子技术的投资案例数和投资金额

竞争对手也不甘落后,谷歌上月推出Cirq软件工具套件。Rigetti也把一台配备16量子QPU的计算机放上网。另外一家硬件公司IonQ开发了一台捕获离子机器,可以简化编程过程。然后还有微软。用该公司量子计算部门负责人托德·霍尔姆达尔(Todd Holmdahl)的话说,他们也跟IBM一样也开发了一套“端对端”系统。这家软件巨头同样提供了一套“量子开发工具包”,甚至还包括一套名为Q#的专用编程语言。但任何用其编写的代码都需要在模拟软件中运行几年时间。微软的量子计算机仍在推进,因为该公司把赌注压在一种未经检验,但错误倾向却低得多的“拓扑”量子位上。

IBM、谷歌和微软都在为各自的平台大举吸引开发者和应用。IBM着重强调Q体验的使用量:他们目前拥有9万多用户,共计运行了500万次实验,发表110篇论文。谷歌量子计算业务负责人哈特穆特·内文(Hartmut Neven)则表示,该公司的工具包瞄准了“专业编程人员”。他坚称自己的团队很快就会实现“量子超级霸权”,也就是说,他们会证明量子计算机能够比经典计算机更快地解决问题(但批评人士认为这只是噱头,因为他们解决的问题可能跟实际应用关系不大)。微软则将量子工具与其他编程软件密切整合起来,方便经典计算机的开发者使用。

无论结果如何,都没有一家硬件公司能在短期内最终成为其他企业的数据中心,更不用说是成为人们的桌面了。相反,量子计算机将在谷歌、IBM和微软经营的云计算中找到自己的家(当然也包括亚马逊和阿里巴巴,只不过他们的量子计算项目规模较小)。由于这些量子计算机在几年时间内只能擅长某些具体的任务,所以这些企业还是希望将其当做“加速器”来使用,在有特定需求的情况下再对其加以利用——效果类似于那些配有超高速人工智能芯片的电脑。

除了这些公司,只有政府机构才有可能在今后几十年内拥有自己的量子计算机。各国军方和情报机构一直都在资助这一领域,今后也有可能继续采取资助。他们担心,量子计算机有朝一日可能会破解如今最强的加密算法,所以谁先掌握这项技术,便可率先破解机密通讯信息或入侵银行系统。

与人工智能一样,中国也希望在量子计算领域引领世界。中国已经宣布斥资100亿美元建设一个国家级量子科学实验室,将在2020年正式投入使用。这也促使美国成立了一个“国家量子项目”,部分观察人士将其与美国1940年代的核计划相提并论。欧盟也在2016年启动量子研究项目,并给予超过10亿美元的资金支持。

政府资金的涌入导致一些风险投资家抱怨自己遭到排挤。但市场上充斥的兴奋之情也导致人们担心该领域最终会遭到过分炒作——就像1970和1980年代的人工智能一样——并因此陷入“寒冬”,导致其长期失去资金来源和人们的关注。

有些创业公司认为几年内就会出现衰退,所以现在开始对冲风险。Heisenberg Quantum Simulations联合创始人迈克尔·马萨勒(MichaelMarthaler)希望他的公司能够确立稳固的地位,为“过冬”做好准备。其他观察人士则警告称,倘若量子计算技术转向出人意料的方向,目前撰写的很多软件可能过时。

但即使量子计算从春天进入冬天,夏天最终到来的概率仍然很大。这在以前经常发生。借用经济历史学家卡洛塔·佩雷兹(Carlota Perez)发明的概念,革命性的技术总会经过一段“镀金时代”,此时通常会伴随着泡沫的兴起,最终还是会进入广泛部署的“黄金年代”。我们没有什么理由认为量子计算会脱离这个路径。

本文来源:《经济学人》杂志

附:量子计算是什么?

在经典计算机里,存储的信息单位是比特(bit),比特使用二进制,也就是说一个比特表示的不是“0”就是“1”。

但是,在量子计算机里,情况会变得完全不同,量子计算机的信息单位是量子比特(qubit),量子比特可以表示“0”,也可以表示“1”,甚至还可以是“1”和“0”的叠加状态(superposition),即同时等于“0”和“1”,而这种状态在被观察时,会坍塌成为“0”或是“1”,也就变成了确定的值,其实也就和经典量子理论“薛定谔的猫”是一个道理(把一只猫放到一个不透明的特殊盒子中,在打开盒子前,这只猫既可能是死的,也可能是活的,打开后,两种可能性才坍塌到其中一种)。除此之外,两个量子比特还可以共享量子态,无论这两个量子比特离得多远,也就是所谓的“量子纠缠”(entanglement)。

量子比特的这种特性会带来什么好处呢?

理论上,2个量子比特的量子计算机每一步可以做到2的2次方,也就是4次运算,所以说,50量子比特的运算速度(2的50次方=1125亿亿次)将秒杀最强超级计算机(目前世界最强的超级计算机是神威·太湖之光,运算速度是每秒9.3亿亿次)。

说得再具体一点,拿《火影忍者》举例的话,那就是佐助是经典计算机,鸣人是量子计算机,要找一个东西,佐助只能自己一个一个地方跑去找,也许要找一年。

但是鸣人可以分出5个影分身,然后5个影分身再分出5个影分身,分身的分身再分身,所有分身都同时去不同的地方,瞬间找到东西,然后分身收回,只剩一个鸣人,取回东西,完成。

虽说理论上来说,量子计算机计算能力惊人,但是量子计算机也存在致命的缺点,主要有两点,这也是量子计算机一直发展缓慢的主要原因,第一是非常不稳定,需要低温运行,第二是精度差,错误率高。

成也萧何败萧何,量子计算之所以能达到如此神速,就是因为量子比特的叠加状态和量子纠缠,但与此同时,量子叠加和纠缠状态是极度脆弱的,不能受到一丁点干扰,量子计算机必须在极度低温条件下工作,低到什么程度呢?零下273摄氏度差不多吧,这就好比拿一根很细很细的针顶起一个鸡蛋,稍有干扰,结果就会变得一片狼藉。

其次,因为量子比特的不稳定性,量子计算的精度也存在问题,保真度(fidelity)不高。保真度是什么呢?打个不恰当的比方,就好像你拿100块钱去银行柜台存了又取,取了又存,来回几次,最后取回来的钱却只有60了,那保真度也就只有60%。

而且就算这些问题都可以得到解决,量子计算机对于处理日常任务并没有什么用处,对于普通人的生活影响不大。但在某些特殊领域里,量子计算机有传统计算机所不具有的能力,比如在化学和材料学里模拟分子结构,还有处理密码学、机器学习的一些问题,后文会详细说到,在此不赘述。

科技巨头混战,量子霸权到底是真是假?

正因量子计算机有很多经典计算机所无法比拟的优点,目前谷歌、IBM、英特尔等科技巨头都已纷纷入局,抢夺高地。而这其中,“50量子比特”成为一个重要门槛。

2017年11月的《自然》杂志采访中,谷歌量子计算专家约翰·马丁尼(John Martinis)提出,当一台量子计算机具有大约50量子比特的时候,其计算能力和速度将超过世界上任何计算机,能解决经典计算机所解决不了的问题。

因此,业内也将达到50量子比特的计算机称为达到了“量子霸权/量子优越性(Quantum Supremacy)”,即50量子比特的量子计算机优于现在市面上的任何一台经典计算机。

那我们到底离“量子霸权”还有多远呢?

一方面,科技巨头们都宣布了不少量子计算领域的技术突破,不少媒体也对此加以渲染,称他们离“量子霸权”只有一步之遥,而另一方面,客观来说这些巨头离达到量子霸权还很远。

实现量子霸权的方式,即做出能超越经典计算机的量子计算机的方式有很多种,包括单光子量子计算、超导量子计算等。

英特尔交付的49量子比特(qubits)超导量子计算测试芯片“Tangle Lake”,这块芯片是英特尔与其学术界合作伙伴QuTech合作完成的,该款芯片是基于超导体,要求非常低的工作温度约-273摄氏度。尽管如此,英特尔还在研究基于更传统半导体的“自旋量子比特”。

据英特尔称,自旋量子比较像一个类似于传统晶体管的单电子晶体管。此外,英特尔还宣称已经开发出一种在300毫米硅晶片上制造自旋量子比特的工艺。虽然英特尔的这款量子芯片非常值得肯定,但是,做出量子芯片和做出量子计算机是有区别的,做出了50量子比特的量子芯片也不意味着能做出50量子比特的量子计算机,而且量子计算机的计算速度也不仅仅是由量子比特数目所决定,同时还应该要保证量子计算机的精度和保真度。

2017年11月10日,IBM对外宣布,已经研发成功20量子比特的量子计算机,可在年底向付费用户开放,同时,IBM还成功开发了一台50量子比特的原型机,但是IBM Q研究副总裁达里·奥吉尔(Dario Gil)表示,量子比特数量增加只是一方面,处理的量子比特数越多,量子比特之间的交互就会越复杂,因此,50量子比特的原型机虽然有更多的量子比特,这些量子比特的叠加态、纠缠态也会造成错误率很高的结果,无法保证精度和保真度,所以它不见得会比5量子比特的计算机更实用、更强大。

除此之外,各个巨头还推出了一些量子计算机的开放平台,比如IBM在2017年推出了量子计算服务IBM Q系统(20量子比特量子计算云服务),这个系统的前身是IBM在2016年开放的Quantum Experience系统(5量子比特量子计算云服务),这两个系统可以提供给用户试用IBM公司所造的5量子比特和20量子比特的量子计算机。除了IBM,微软也在2017年12月推出了自己的量子计算机开发包(Quantum Development Kit),可以让用户在其开放平台上,用专用量子计算机编程语言Q#进行编程。

除了科技巨头的参与,初创公司的表现也非常亮眼,在2011年,加拿大初创公司D-Wave推出了具有128个量子比特的D-Wave One型量子计算机,这个初创公司吸引了很多人的眼球,它使用的是“量子退火”算法(Quantum Annealing),但是,D-Wave One到底算不算真正的量子计算机还存在争论,因为,虽然这种算法确实实现了量子比特,但是量子比特之间基本没有量子纠缠,所以严格来说不能算真正的量子计算机。不过,这款量子计算机确实在一些领域可以超越经典计算机。

国外巨头和初创都在争分夺秒的研发量子计算机,同时,国内大佬也坐不住了,在2015年的时候,中科院宣布与阿里巴巴旗下阿里云共同成立量子计算实验室,并于2017年5月宣布造出第一台光量子计算机。中科院和阿里的这个光量子计算机,实现的是10量子比特。

总的来说,真正的“量子霸权”不仅仅是光看量子比特数的竞赛,就算做到1000量子比特,无法做到系统的可控性和可靠性,也算不得是量子霸权,这也是为什么2015年时,谷歌实现9个超导量子比特的高精度操纵就足以让全世界惊叹。

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