• 量子計算機 科技巨頭競逐“量子霸權”
  • 量子計算機 2019-09-24 11:00 | 來源:第一財經 [頁面編號:X90924]
  • (原標題:量子計算機 科技巨頭競逐“量子霸權”)

    量子計算機用于解決實際問題不會是太遙遠的將來。

    雖然“谷歌實現量子霸權(quantumsupermacy)”的消息尚未坐實,但量子計算機的發展速度已經不可阻擋。

    去年12月,一臺筆記本電腦即可模擬谷歌最好的量子計算機;到了今年1月,一臺功能強大的臺式機尚可與之媲美;等到“量子霸權”實現后,經典計算機的速度將無法再模擬量子計算機了。

    量子計算第一階段

    谷歌有望成為首個宣稱實現“量子霸權”的公司。早在去年谷歌就與NASA合作,致力于實現“量子霸權”。根據提前泄露的論文,谷歌已經能夠利用一臺53量子比特的量子計算機實現傳統架構計算機無法完成的任務——在世界第一超算Summit需要計算1萬年的實驗中,谷歌的量子計算機只用了3分20秒。

    這是迄今為止表明量子計算機超越傳統架構計算機,并走向實用化最為強烈的跡象。“相對于所有已知經典算法而言,這種巨大的提速在實驗中實現了計算任務上的量子霸權,并預示了人們期待已久的計算范式的出現。”谷歌在論文中寫道。

    不過NASA很快就把這篇文章刪除了,谷歌官方也未對此表態。嚴謹的科學家認為,這或許是一項尚未證實的實驗和一篇尚未完成的論文提前被泄露了。“谷歌的實驗很可能還沒有經過認證,提前被泄露了甚至可能引起相關的法律訴訟。”一位中科大從事量子物理研究的教授對第一財經記者表示。

    目前尚無法證實谷歌是否真正實現了所謂的“量子霸權”,也就是指當量子計算機發展到50個比特時,計算能力將超越全球最快的傳統計算機,實現“稱霸”。但谷歌和IBM都已分別在2017年11月和2018年3月宣稱實現了50個和72個量子位的原型機。

    今年3月3日,谷歌量子AI實驗室三名科學家MasoudMohseni、PeterRead和HartmutNeven在《自然》雜志上發表文章指出:“量子計算領域即將迎來歷史性的里程碑——量子霸權。雖然現在仍然不知道與應用相關的算法是否能夠很快提升計算速度,但是只要量子計算的硬件,也就是量子計算機性能足夠強大,我們就能夠測試并且發展新的算法。”

    量子計算機的研制目標分為三個階段:第一個階段就是“量子霸權”階段;第二個階段是實用化量子模擬機階段,實現數百個量子比特相干操縱的專用型量子計算系統,應用于具有實用價值的組合優化、量子化學、機器學習等方面,指導新材料設計、藥物開發等;第三個階段是通用可編程的量子計算機階段,能夠相干操縱數億量子比特,實現可容錯的量子計算機,能在經典密碼破解、大數據搜索、人工智能等方面發揮巨大作用。

    “如果完成三個階段,意味著人類實現了量子計算機的夢想,這將是人類實現第二次信息革命,全面進入量子信息時代的標志。”中科大副研究員張文卓對第一財經記者表示。

    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量子計算機。

    關于量子計算機的“誤解”

    歐洲量子通信領軍人物、日內瓦大學教授尼古拉·吉森博士(NicolasGisin)對第一財經記者表示:“谷歌的這篇論文很可能是作為科學文章來發表,目前還未到解禁期。文章很可能是正確且真實存在的,即便谷歌量子計算機所計算的題目是人為設定的,會令經典計算機難以達到。”

    吉森教授還表示,量子計算機用于解決實際問題也不會是太遙遠的將來。

    目前科學家已經開始模擬量子計算用于解決新藥研發和基因測序等方面的復雜問題。麻省理工學院教授PeterShor在日前中科大的一場墨子沙龍活動上表示:“我認為量子計算機要產生實際的作用,可能需要至少等上十年甚至更多的時間,才能夠讓一些實用的量子計算機做比較大的數字的因子分解。”

    Shor教授還表示,量子計算機和經典計算機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”。“這不僅僅取決于運輸方式,還取決于目的地在哪里。”Shor教授表示。

    他認為,人們對于量子計算機還存在著很多誤解,不應該單從速度的角度將量子計算機與經典計算機來作比較。“量子計算機不僅是經典計算機更快的版本,公眾的誤解非常普遍,他們覺得計算機非常重要的就是空間以及它的速度多快,而不是它的記憶、儲存。”Shor教授解釋道,“量子計算機上的每一步幾乎肯定要比傳統計算機復雜,但是量子計算機可以通過利用量子力學特性的算法,大大減少所需要的部署,從而加快計算的速度,這個是傳統計算機所不具備的。”

    中科院院士、中科大教授潘建偉則表示,開發出這樣一種全功能的量子計算機和量子模擬器需要很長時間,但人們已經開始使用一些局部的量子模擬,也就是所謂的“半量子模擬”來做相應的工作,從而支持到我們的機器學習等等,這也是很有實用價值的。

    根據波士頓咨詢(BCG)援引部分制藥行業的高管預估,量子模擬可將藥物發現率提高5%到10%,并節省15%到20%的研發時間。與此同時,他們還認為更優的分子設計將推動藥物審批效率。BCG預測2030年,在制藥行業,量子計算市場規模將達200億美元,化學、材料科學等科技密集型產業的規模將達70億美元。

    BCG引用一家大型制藥公司研發部門的負責人的話稱:“在原子水平上,目前的高性能計算無法處理大多數的模擬,量子計算可以成倍地提高藥物發現概率。在美國,如果復雜的量子模擬是可行的,有10%的公司愿意為其承擔費用,這對應著150億到300億美元的量子計算市場機會。事實上,目前全球高性能計算的市場規模是100億美元。”

    競爭

    盡管谷歌如果率先宣稱實現“量子霸權”將是一個了不起的進步,但谷歌在美國的競爭對手IBM對此并不感冒,反而是提出了一個叫做“量子優勢”的概念。IBM的量子計算戰略負責人RobertSutor介紹道:“量子優勢,是在一個真實應用場景,比如金融服務、AI、化學中,量子計算機做出了比任何經典計算機要明顯優秀的工作。”

    IBM一直在探索量子計算的應用,還在線上對外開放了一臺53比特的通用量子計算機IBMQ。這臺量子計算機位于紐約,去年5月就已經投入在線運行。今年年初,IBM宣布了量子計算機的商業化方案,希望更多研究人員能夠使用其在線量子計算系統。未來這臺量子計算機有望在更多領域發揮用途,比如發現新材料和新藥物,以及讓人工智能變得更強大。

    不過,谷歌研究院、加州理工學院的理論物理學家FernandoBrando認為,在達成“量子霸權”之前,量子計算機不可能做出什么有意思的事。

    張文卓對第一財經記者表示:“實現量子計算的物理方案有很多種,互相競爭,IBM和谷歌的系統不一樣,使用離子阱方案,無法擴展到很大,相比之下谷歌使用的是超導電路方案,原則上可以無限制擴展,這樣看來,谷歌投的方案前景更大。”

    谷歌的科學家認為,未來幾十年學界、行業和國家實驗室需要聯合起來開發量子模擬和量子機器學習的算法。“谷歌將基于云服務提供谷歌量子處理器的入口,來支持那些缺乏資金、技術和基礎設施支撐的機構的研究。”谷歌研究人員表示。

    根據谷歌的定義,終極量子計算機將能夠容忍噪音和錯誤,而且原則上能夠處理任何問題。理論上講,它們需要更強大的處理器,能夠包容更多的量子比特,而且為了達到糾錯功能,還需要機器冗余,不過要實現這樣的技術至少還要等上10年左右。

    對于量子計算機的商業化前景,谷歌表示:“對于量子計算的保守估計,投資者預計只能在長期獲得回報。盡管如此,我們依然認為,隨著小型的量子計算機會在5年內逐漸興起,短期的回報仍然是有可能的,雖然這些設備無法實現完全的糾錯功能。”

    關鍵詞 : 量子計算機 量子霸權

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