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逐鹿量子计算:颠覆经典计算机的计算机

[日期:2015-08-21] 来源: 公众帐号  作者:于达维 [字体: ]

计算机

  计算机的出现,在50多年间深刻颠覆了人类的生活模式。那么,什么会颠覆如今的计算机?科学家给出的答案是:量子计算机。

  量子计算机被全球各国科学家公认为最重要和尖端的科技之一,近年,各国科技部门以及多家大型科技企业都在这一科研领域投入巨资。在谷歌两年前建立量子计算机实验室之后,阿里巴巴集团也跟中国在量子计算机研究上的国家队走到了一起。

  7月30日下午,阿里巴巴集团(下称阿里巴巴)旗下阿里云宣布联合中科院成立“中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室”。

  根据阿里巴巴发布的新闻稿:实验室将结合阿里云在经典计算算法、架构和云计算方面的技术优势,以及中科院在量子计算和模拟、量子人工智能等方面的优势,颠覆摩尔定律,探索超越经典计算机的下一代超快计算技术。

  阿里巴巴以资金和阿里云应用经验助力中国量子计算机研制,无疑会加快中国量子计算机面世的步伐。但这能否让中国在这一领域领先,并不确定,因为该领域的世界科研竞争太过激烈。

  量子计算机是指遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的计算机。 在科学界看来,在量子计算机强大计算能力的帮助下,人类可以提供更为精准的天气预报、让药物发现过程更高效、迅速计算出最佳路线、甚至发现更多的系外行星。

  根据中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室的研究计划:预计到2025年,量子模拟将达到当今世界最快的超级计算机的水平,初步应用于一些目前无法解决的重大科技难题;到2030年,研制具有50-100个量子比特的通用量子计算原型机。

  按照中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心主任潘建伟的说法, 新一代量子计算机能够解决目前世界上最好的超级计算机都无法解决的问题,而速度将比世界上运行速度最快的中国“天河二号”超级计算机快百亿亿倍。

  实际上早在五六年前,计算机业界就开始预测,经典计算机的摩尔定律很快就会因为芯片的晶体管精细程度达到分子级别而达到极限。目前的加工水平已经达到10纳米,极限已然接近。而量子计算机,是让计算能力得到倍增的必由之路。并且这一计算能力的飞跃,将远远超越从算盘到当代超级计算机的提升。

  对于阿里巴巴来说,每年3000万元的投入并不算多,对于研发量子计算机来说也是杯水车薪,但这却是中国民营企业在前沿技术研发上的最大一笔投入。这件事情的示范意义在于,工业界与学术界割裂的鸿沟由此开始弥合。

  当然,前方面临的困难并不简单。

  15年计划

  根据阿里和中科院这次的计划,阿里巴巴将每年投入3000万元,建设量子计算实验室,首期合作5年,计划合作年限为15年。实验室成立后,将面向国内外延揽掌握核心技术、处于创新能力高峰的拔尖人才,打造中国量子计算研究的“梦之队”。

  阿里巴巴集团首席技术官王坚博士对财新记者说, 通讯和计算的问题是互联网企业最关心的问题。从计算能力上说,传统的技术已经达到了一个瓶颈,而量子通讯技术对于通信安全性问题的解决,属于一种根本性的突破。

  不断被挑战,但不断被验证的摩尔定律,终于即将走到尽头。在人类对于晶体管的加工水平已经达到十几纳米量级的时候,微观粒子的量子效应已经不可以忽略不计,这让已经奏效数十年的以经典物理为基础的计算机体系结构,也基本走到了极限。

  但是希望总是在绝望之后出现。如果能够对于粒子的量子效应加以利用,其对于计算能力的提升将不只是百倍、千倍的级别,而是百亿、千亿倍的级别,在这种计算能力的帮助下,不仅许多因为计算能力而困扰人类的科学问题可以解决,对于广大公众和企业来说,在云计算时代作为一种服务而被提供的计算能力,可以说是“取之不尽,用之不竭”。

  量子计算机与经典计算机最大的区别,就是它的每个数据用不同的粒子的量子状态表示,而且根据量子力学的原理,粒子的量子状态并不确定,而是不同量子状态的叠加。经典计算机存储数据的最小单位是比特,量子计算机存储数据的最小单位就是量子比特。

  在目前的经典计算机中,每个比特只能有二种状态━━0或1,这构成了数字计算领域的信息存储基础。而在量子计算机中,由于量子叠加效应,一个量子比特可以同时拥有两种状态,这就意味着,N个量子比特可同时存储和处理2的N次方个数据。

  从理论上说, 只需要6个量子比特,就可以达到目前64位的经典计算机的计算能力。一个40比特的量子计算机,能在很短时间内解开当前先进的1024位电脑花上数十年解决的问题。50个量子比特的计算能力,把当今世界前500名的超级计算机全部加起来,功能都无法胜过它,250量子比特所包含的比特数超过宇宙内的原子数量。

  潘建伟团队成员、中国科学技术大学教授陆朝阳告诉财新记者,现在他们的能力是做到8-10个量子比特,要在量子模拟上达到超越“天河二号”的水平,大约需要45个光子的量子系统,但这不是普适的量子计算机,而是针对特定问题的量子模拟机,而要达到超过现有超级计算机百亿亿倍的水平,大概需要100个量子比特。

  但是,量子模拟和量子计算机对于量子比特操控的容错性要求大不一样,前者可以认为单一的物理比特就可以作为量子比特,但是后者出于纠错的目的,需要用多个物理量子比特去编码一个逻辑比特,也就是说,用45个光子量子比特可以完成量子模拟,但是真正到量子计算机的时候,所说的100个比特应该是逻辑比特,意味着几百个物理量子比特。

  “苹果”还是“安卓”

  IBM的科研人员最近在《自然通讯》上发表了使用超导材料制成的量子芯片原型电路。他们将超导材料制成的四个量子比特整合为一体,预计未来数年之内即可以构建出16位量子比特的量子计算机,未来五至十年之内将达到数百位的量子比特。

  理论上,实验室中任何可控的、有稳定特征能态的量子系统都可以作为量子比特,比如离子、中性原子、光子等。但是一个个独立的量子比特做不了量子计算机。为了实现量子运算,用作量子比特的粒子必须处于缠结状态,也就是所有的粒子都必须具备相干性。而且这种状态必须保持尽量长的时间,也就是保持纠缠。这是实现量子计算面临的两个最大障碍。

  目前实现量子计算机的两种主要研究途径,就是基于量子光学的量子计算和固态量子计算。

  中科院量子信息重点实验室主任、中科院院士郭光灿说,固态量子计算机包括超导量子干涉或半导体材料量子点的操作,自旋、能级、磁通量、相位等都可以作为可操作的目标。而量子光学则主要是操作束缚在腔、离子阱中的原子或离子,操作原子、离子的能级。

  “这两种方法各有优劣,前者容易扩充,但相干性不好,后者相干性好,但难以实现纠缠。”他说。

  英国科技网站新科学家的顾问迈克尔•布鲁克斯(Michael Brooks)2014年曾撰写一篇名为《量子计算机购买指南》的文章,在这篇文章中,他把“自旋或超导”形容为量子计算世界的“苹果或安卓”。

  中科院量子信息重点实验室研究员周正威告诉财新记者,大家普遍认为适宜做量子计算的系统应该具有可集成性,并且期望量子计算系统能够建立在现有工业基础之上,希望建造量子计算机的技术仅仅是产业的再升级,而不是在重新凭空建造一个全新的物理系统。

  正是基于这样的考虑,所以当前半导体量子点系统和超导电子学系统受到了美国和日本的高度重视。半导体集成电路和超导集成电路,这两个系统已经有成熟的工业基础,如果能够在这样的系统中通过产业升级建成量子计算机,无疑是这个行业的福音。

  当然,在他看来也不能完全绝对,不排除在这两个系统之外的具有可集成的系统中构建量子计算机的可能。

  目前潘建伟团队在量子比特研究上主要是在光子纠缠领域有雄厚的积累,并在超冷原子做出了一些国际水平的量子模拟工作。2012年他们实现了对八光子纠缠态的操纵,并实现拓扑量子纠错;2013年,他们首次成功实现了求解线性方程组的实验;2015年,首次成功实现了量子机器学习算法。

  接受财新记者采访的专家坦率地表示,多光子纠缠只是原理性验证,和做一台计算机是两个概念。因为做成真正的计算机,有非常多的非科学成分,例如实用性如何,造价如何。

  中科院物理所研究员赵士平对财新记者说,美国最近有很多关键性的进展,把过去参数比较好的设计,弄到可以集成化的程度,这样就可以做一些事了。虽然和真正的量子计算机还是有些距离,但在量子器件的设计上,尤其是在超导的领域,已经有了比较统一的目标。

  利用超导量子比特,实际上早在2007年2月,加拿大D-Wave系统公司就制造出了首个商业量子计算机,128位的D-Wave one,后来他们推出的D-Wave two,号称有512个量子比特,售价1000万美元,谷歌公司、洛克希德马丁公司,都是这种量子计算机的首批买主。

  但是这台“号称”的量子计算机有些名不副实。去年加入谷歌量子计算机实验室的美国加州圣巴巴拉大学物理学教授约翰•马丁内斯(John Martinis)就曾经撰文指出,D-Wave的机器虽然具有量子计算的部分特征,但并没有真正提升计算机的运算速度。

  郭光灿告诉财新记者,目前马丁内斯团队在固态量子芯片上做得最好,已经做到11个量子比特。“我们是采用半导体量子点的方法,也需要绝对零度左右的低温环境,国内也有很多人是做超导,现在是主流。”

  今年7月17日的《自然通讯》,发表了中科院量子信息重点实验室在固态量子芯片研究上取得的进展,他们成功实现了半导体量子点体系的两个电荷量子比特的控制非逻辑门,逻辑门是计算机运算的基本单元,这一进展是进一步研制实用化半导体量子计算的基础。

  王坚表示,对于不同的技术路线,我们没有太多的选择权,因为大家对于量子计算本身技术方向并不是很清楚,国际上能在前沿做的实验室也没有几家。

  在他看来,对于量子计算这个项目,阿里巴巴最大的收获是有机会介入这个领域。共同参与这个过程,成为这个变革的推动因素。共同打造一种未来的技术,技术路线上也是开放的。

  陆朝阳透露,联合实验室的技术路线将不局限于只做光子体系,而是选择了三个最有希望的体系,一个是光子体系,一个是超冷原子体系,一个是超导量子比特,这也相当于一个三步走的策略,第一步达到普通计算机水平,用光子的体系,20-30个量子比特,就可以达到。

  在光子体系上,潘建伟的团队在国际上可以说是最领先的。“我们希望把这个优势继续保持下去,当我们能够操纵大约30个光子的时候,我们将能够做一些令人惊叹的事情。”陆朝阳说。

  他们的第二步是在五至十年内实现利用超冷原子体系作量子模拟,用来解决物理化学、材料设计等方面目前没法算清楚的问题。第三步的目标是10-15年内,利用超导量子比特,制造大规模的通用量子计算机。

  使用超导的方式,可以在芯片上集成,可以操纵的精度很高,达到99.99%,超越了容错量子计算理论上的阈值,在科学上说,已经完全满足了DiVincenzo量子计算五条黄金标准,相当于前面的道路上已经看见了绿灯。“这方面美国做得最好,我们会奋起直追。”陆朝阳说。

  投入杯水车薪

  早在两年前,一直视通信与计算技术为生命的阿里巴巴,对基于中国科技大学潘建伟团队技术实施量子通讯技术开发的安徽量子通讯有限公司(下称量通公司)产生了兴趣。但是几次沟通下来,他们改变了主意。

  这种改变不是他们不想合作了,而是他们过去想过的合作方式并不适合这一领域。

  “一开始的时候,是我们主动的,”王坚告诉财新记者,通过几次接触量通公司,我们感觉需要解决的问题还远远不到产业化的程度。“这不是一种现成的技术,已经在国外实现,我们实现本土化,而是到底怎么能够产业化,外国人也没搞清楚,但是这恰恰是我们可以领先的地方。”

  “企业愿意做这样一个桥梁,一起来赢得量子计算的话语权。这也是少数几个,真正能够拿技术换市场的机会。”他说。

  而对于中科院来说,阿里巴巴也恰恰能够提供一个验证量子通讯、量子计算技术的规模化实验平台。因为从互联网的发展历程就可以看出,技术的演进都是从小范围的应用到大规模地推广的过程。“现在我们就有这个条件。”

  每年3000万元,看上去很多,实际上远远不够。伦敦大学计算机学教授彼得•本特利(Peter J Bentley)就曾经表示,相对于我们从真空管到晶体管再到硅芯片的进化速度,量子计算机的进展的确非常缓慢。这是一个非常难的物理问题,我们至今依然未能完全理解它。“谷歌可能需要花费数十亿美元以及数十年时间,才能让我们看到真正的量子计算机。”

  为了让量子计算机抗环境干扰,只能让它在超低温环境中运行,不管是超导的方法,还是半导体量子点的方法,都工作在绝对零度(零下273.15摄氏度)附近。为构建这种环境,科学界就需要投入大量资金和精力,而这还不是量子计算机本身。

  从阿里巴巴的角度,先实现参与,如果真有成功的迹象,继续增加投入也不无可能。

  “3000万元确实不多。其实是太少了。”王坚表示,如果跟国家领导人说,是花几百亿元在横店重建圆明园,还是花几百亿元研究量子计算机,答案肯定是后者。但是大家都知道这不是钱的问题,信心是无价之宝,研究成果对阿里巴巴也是无价之宝。不知道15年以后是否肯定有回报,但阿里巴巴也不是做慈善的。

  但是也必须承认,愿意在量子计算上花这么多钱的科技公司,愿意花这样的时间和精力,在中国也还没有第二家。

  王坚表示,五年内应该可以看到初步的成果,后续的投入,还要看后续的发展。

  与未来同行

  实际上,对于潘建伟的团队来说,钱也不是主要问题,主要还是人的问题,如果需要走超导的技术路线,需要重新组建团队。毕竟光学系统集成化有很大的困难,而超导的方法、半导体量子点的方法,可以沿用原来半导体的平面工艺。

  有知情人士对财新记者透露,潘建伟团队目前也在招募研究固态量子芯片的人才,其中目标之一就来自马丁内斯团队的中国博士后,争取他回国效力,分享他在超导芯片上的经验。

  陆朝阳透露,每年来自阿里巴巴的投资,将主要用于人才队伍的建设。而在设备上、运行上主要还是国家的投入。因此知识产权还是属于国家的,阿里巴巴享有优先的购买权和投资权以及署名权,也可以培养自己的技术队伍。

  在潘建伟看来, 跟阿里巴巴的合作,将很好地解决“科技和科技成果转化两张皮”的问题。“很多前期基础研究成果出来之后,变成真正的成果之前还有一段技术研发的路需要走。”

  能够跟企业合作,在中国的科学家看来也是乐见其成。周正威说,最大的好处,是让科研的成果变得有用,而不是停留在原理性验证上,要做出产品,这样科研的导向就不一样了,和工业界合作,必须是形成产品的东西,会导致工作的评价标准不同,从工业界获取的资源,包括管理模式都不一样。这样体制内的许多固有问题都不存在了。

  “有利于推动实用性的研发,科学界的体制不可 能让你做这件事,也不可能五年不发文章,工业界 就肯定直奔目标去努力。”他说。中国量子计算技 术的研发必须跟工业界结合,才能加速这一领域的 发展,缩小跟先进国家的差距,否则会被越拉越远。 希望参与团队能够在企业的助力下做出实质性的突破。

  去年加入谷歌的马丁内斯团队,就是最好的例子。而目前在量子计算机上发力的,也都是像微软、IBM这样的软硬件巨头企业。

  退相干问题目前是马丁内斯及其团队着重解决的最大问题之一,作为“量子比特”的粒子处于量子状态的持续时间一秒都不到,而且与其他粒子发生碰撞后就不再处于量子状态。

  根据他们2013年在《科学》上发表的论文,他的团队已经制造了一台5个量子比特的量子计算机。该机器利用超导材料和可备份量子比特信息的错误纠正系统来维持量子信息。而去年的消息是他们已经将其扩展到了9量子比特,并计划每年量子比特数翻一番。

  微软的量子计算机计划已进行了十年,该公司正 在开发被称为拓扑量子比特(topological qubit)的新型量子比特,这并不是以粒子的某种物理状态,而是以粒子彼此移动经过的方式进行编码,虽然他们现在尚未制造出一个量子比特,但是这种方法也有其固有优点,就是抗环境干扰能力特别强。

  中科院物理所研究员赵士平对财新记者说,目前在量子计算的理论上已经研究很透彻了,如果实验上能够达到一些阶段性的成果,尽量可以用起来。“10-15年肯定会有一些或大或小的应用。”

  王坚说,量子计算到量子计算机之间,还有很大的距离,现在我们只是能够证明量子计算的原理是可行的,但是量子计算机长什么样子谁也不知道。如果因为我们的合作,能够让真正的量子计算机出来,都是无比大的贡献。

  在他看来,普通计算机与量子计算机之间的差别,比煤油灯和电灯之间的区别要大得多,同样,研发后者遇到的挑战,也是前所未有的。

  “做没做出来,都是正常的,做出来是我们运气比较好。既然我们愿意做一件15年的事情,那对于结果也是足够开放的。后续的投入,还要看后续的发展。”王坚表示。

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