只谈“量子霸权”不谈量子计算到底能干啥的,都是耍流氓

百家 作者:腾讯科技 2021-07-21 11:05:41 阅读:315

来源|品玩
作者|洪雨晗


“光子芯片不会被卡脖,外国不再有先发优势!”今年夏天,量子计算、量子芯片吸足了人们的眼球。


从六月底的中国量子计算机“祖冲之”打破量子霸权,到七月上旬世界人工智能大会上首次出现量子相关的分论坛,有行业人士在大会期间疾呼:“我们正处在计算能力真正爆发的前夜,通用量子计算机的时代正在到来。”


先不谈量子霸权或量子优越性是什么,首先,量子究竟是什么?


这个问题可以说困扰着一代又一代的物理学家们,爱因斯坦1905年提出光量子假说;玻尔1913年提出他的原子结构论;德布罗意1923年提出相波……但量子理论的先驱们此后都为量子的离奇的特性困扰不已,有关量子的种种问题,即便是今天从事量子前沿领域研究的科学家也无法给出具体答案。


量子论的奠基人之一玻尔(Niels Bohr)曾说:“如果谁不为量子论而感到困惑,那他就是没有理解量子论。”


当然,这些让人头疼的问题就留给科学家继续挠头去,对于我们普通人来说,我们只关心量子计算的时代到底真的像不少从业者说的那样,马上就要到来了么?



令普通人产生疑惑的最主要原因,就是当下讨论“量子霸权”这种高深的经过层层包装的概念太多,而谈论最基础信息从而让大家更了解量子计算机真实“功能”的又太少。


什么是经典计算机、什么是量子计算机、为何量子计算如此重要?只有弄清了这些问题,才知道近年来不管是政府、科研机构、高校,还是各公司、投资机构关注量子计算的原因,以及量子计算机实现和具体应用的难点。


自1946年第一台电脑发明至今,人类社会一直追求着更快、更强的计算机性能用来处理海量数据,但如今经典计算机的摩尔定律迭代已逐渐跟不上人类对算力的追求了。


经典计算机的运行机制大家或许都有耳闻,即为经典的冯·诺依曼架构,传统计算机是通过集成电路中电路的通断来实现0、1之间的区分。传统冯·诺依曼计算机体系结构的存储程序方式造成了系统对存储器的依赖,CPU 访问存储器的速度制约了系统运行的速度,更具体一点,芯片的性能(包括但不仅仅是晶体管数量的多少)决定着计算机的运算速度。


然而,如今芯片先进制程面临着巨大的难题——量子隧穿效应带来的漏电流。该原理已涉及到量子力学相关理论,可以简单理解为当材料逼近1nm的物理极限时,有一定的电子可以跨过势垒,从而漏电。这个问题对于人类来说暂时是无解的,因为物理理论还没有搞清楚这个现象。


如今,一些科研机构和实验室中已实现2nm芯片的技术路线,但继续走下去无疑需要前沿物理理论的再次突破,这不是短时间能攻克的问题,因此,在人类基础理论没有突破性进展的情况下,未来更具想象性的量子计算来了。


无法战胜它便加入它,不少科研人员选择拥抱量子的特性,使用粒子的特殊量子特性来进行计算,一扇新世界的大门也就此展开。如何利用量子的特性来运算呢?为确保准确,这里引用我国量子光学的泰斗级人物郭光灿院士的表述。


“量子比特可以制备在两个逻辑态0和1的相干叠加态,换句话讲,它可以同时存储0和1。考虑一个 N个物理比特的存储器,若它是经典存储器,则它只能存储2^N个可能数据当中的任一个,若它是量子存储器,则它可以同时存储2^N个数,而且随着 N的增加,其存储信息的能力将指数上升,例如,一个250量子比特的存储器(由250个原子构成)可能存储的数达2^250,比现有已知的宇宙中全部原子数目还要多。


由于数学操作可以同时对存储器中全部的数据进行,因此,量子计算机在实施一次的运算中可以同时对2^N个输入数进行数学运算。其效果相当于经典计算机要重复实施2^N次操作,或者采用2^N个不同处理器实行并行操作。可见,量子计算机可以节省大量的运算资源(如时间、记忆单元等)。”


用更直观的比喻来说就是,如果要走出一个迷宫,传统计算机就像一个永不停歇的小人儿,在岔路做出选择,一条道走到黑,走到头发现错了再回头重走;而超级计算机也是这个小人,只不过移速更快,效率更高,但本质还是一条道走到黑;而量子计算机则完全不同,它的小人是会影分身的小人,每走到一个路口,无需做出选择,可以自动分出一个自我同时走,这样的结果就是效率以指数级提升。


至于为何量子计算机的小人可以同时走不同的路,背后的原理没人知道,但科学家们把一个量子比特既是0又是1的这种现象称之为量子的叠加态,其衍化出来的著名实验有薛定谔的猫以及平行时空/平行宇宙的假设。



量子计算机在特定运算领域领先经典计算机的运算方式用小学数学来讲,就是如果要运算a*b*c*d*e*f,经典计算机需要先算a*b,然后把其结果乘以c,再乘以d……得出结果后继续上述步骤,一步一步慢慢来,而量子计算机则是同时运算a*b、c*d、e*f,因此,量子计算机在特定计算上要比经典计算机快无数倍。


到底有多快呢,潘建伟与朱晓波教授带领的中国科技大学团队,使用66量子位的超导型量子计算机“祖冲之”处理对随机量子电路的输出分布进行采样,用了1.2小时就完成,而当前最强大的经典超级计算机完成运算则需要8年。


超强的计算能力使量子计算机在未来可以为密码分析、气象预报、石油勘探、药物设计等所需的大规模计算的行业服务,并可揭示高温超导、量子霍尔效应等复杂物理机制,为先进材料制造和新能源开发等奠定科学基础。


这是否意味着量子计算机已经全面超越了经典计算机呢?答案是否定的。量子计算机虽然有神奇的量子叠加态可以应用,但受制于现阶段量子计算机的发展水平,其实际能用到的场景却是非常有限的。华为量子计算软件与算法首席科学家翁文康在WAIC上的演讲中表示,在量子系统仿真、量子化学、组合优化、机器学习等领域的“专用”量子计算机预计成熟期为3-5年,而在大数分解、数据库搜索、量子动力学、量子人工智能等领域“通用”量子计算机预计成熟期可能需要10年甚至更久。


可以说现在所有的量子计算机仍只是专用计算机,无法像经典计算机一样解决通用性的问题。如,去年我国轰动一时的量子计算机“九章”,其设计出来就是为了“求解高斯玻色取样”,在此类专项问题求解上非常快,但它在做其他的计算任务或许还没有我们手中的电脑、手机快。



要解决量子计算机的通用性难题并不容易,Intel院士、研究院院长Rich Uhlig曾做过一个估算,“只有在数百个甚至数千个量子位可靠运行的情况下,量子计算机才能比超级计算机更快地解决实际问题。”壁仞科技创始人、董事长、CEO张文认为,量子计算在实用性、成本和软件上依然存在瓶颈,需进一步提升量子比特数和量子纠错能力,量子计算机才有成功商用的可能。


但现在量子芯片还处在数十个量子比特的一段,加上量子比特的操纵还是业界的难题,离商用水平还为时过早,导致大规模的量子算法还没有可以承载运行的平台。


在今年的WAIC上,图灵量子创始人金贤敏教授在接受媒体采访时表示,实现通用量子计算机有三个前提——百万量子比特的操纵能力、低环境要求、高集成度。他认为光量子路径是唯一能够满足这些条件的技术体系,是通向大规模通用量子计算的最可行路径。


量子计算有不同的实现路径,如“祖冲之”是超导量子计算,“九章”是光量子计算,除了超导和光量子计算,离子阱方案、核磁共振方案、金刚石方案、超冷原子方案、拓扑比特方案等等。


金贤敏教授则对光量子计算机的商业落地持乐观态度。他表示两年前大家认为需要10~15年量子霸权才有可能会实现,结果2019年谷歌、2020年中国都纷纷实现了量子霸权,所以现在大家觉得遥远的技术体系突破和产业应用的落地可能会比预想中来得更快。


当然,量子霸权仅代表量子计算机在解决某些特定问题上的能力超越了任何经典计算机,但“量子霸权”其实只是量子计算机发展的一个阶段,此时的量子计算机仍属于专用机范畴,要想量子计算种种“梦幻般”的应用真正落地,恐怕还有不短的路需要走。



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