澳门新葡新京网上导航为何谷歌下大力气研发量子计算机

为何谷歌下大力气研发量子计算机

• 作者 风帆 •
2014年10月05日09:16 • 腾讯网

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  10月5日,谷歌已经组建专门团队试图建造超级量子计算机,它必将“处理能力”推向新的时代,人工智能、金融服务、机械学习以及其他行业都将因此受益匪浅。量子计算领域目前依然处于起步阶段,但在谷歌于9月份宣布与美国加州大学圣巴巴拉分校专家联合开发量子计算技术后,这一领域获得极大促进。与加州大学的合作只是谷歌量子人工智能实验团队努力的一部分,他们还与美国宇航局、大学空间研究协会等机构合作,研究建造世界上最快的超级计算机技术。

  超级计算机如何工作?

  在传统计算机领域,电路或开或关,并使用“0”和“1”二进制码解决问题。而量子计算机使用的基本元素被称为量子位(qubits),其电路同时以各种可能状态存在,这将极大地增强量子机械的处理能力。量子计算科学的技术性很强,简单来说,就是一台计算机在使用二进制体系的传统计算机中超速运行,它对解决当前存在的“优化问题”特别有用,可以在大量可能选项中找到最佳解决方案。

  当前,世界上运行速度最快的计算机是中国的天河二号超级计算机,它的计算速度可达每秒5.49亿亿次。但专家称,量子计算机的计算速度最终将远超过天河二号。谷歌量子人工智能研究小组正与加拿大D-Wave公司的科学家合作,后者拥有被称为世界上第一种可行的商业量子计算机。

  但许多专家怀疑D-Wave公司的量子计算机是否真的比常规超级计算机更快。该公司首席执行官弗恩·布劳内尔(Vern
Brownell)承认,他们还处于量子计算技术的最初阶段,但他对未来充满信心。布劳内尔解释称:“当保罗·艾伦(Paul
Allen)与比尔·盖茨(Bill
Gates)开发出第一款软件时,我们还处于建立微处理器的起步阶段。”

  成熟的量子计算技术将令各个领域受益匪浅。随着计算能力增强,将来有一天,量子计算机能够帮助运行更为复杂的模拟,比如气候变化模型或帮助开发新的药物等。布劳内尔说:“这不是要取代经典计算,而是某些特定问题需要量子计算技术帮助解决。”

  量子计算机引发金融革命?

  布劳内尔认为,金融服务行业将首先从量子计算机中受益。比如,为了优化投资组合和处理风险管理,华尔街目前的工作量非常庞大。但布劳内尔说:“最终,量子计算机将帮助我们做得更好。”

  D-Wave公司称,金融领域其他还可能受益的行业包括,结构化资产证券定价、测绘市场相关性、资本项目预算、制定交易策略等。D-Wave公司还称,他们有兴趣扩展量子计算的云能力。潜在客户包括存在复杂优化问题的行业,从运输、后勤到金融服务、医疗保健等。

  量子计算机还有助于机械学习。利用人工智能训练运算法则、尝试挖掘数据、帮助探查欺诈等。目前,洛克希德-马丁公司正利用D-Wave公司开发的量子计算机帮助检验飞行控制系统。D-Wave公司的另一个合作伙伴是1QBit公司,后者正利用量子计算机创建金融运算法则,并且已经取得进展。

  未来挑战重重

  到目前为止,建造量子计算机的最大挑战是环境干扰。量子计算机只能在超低温环境中运行,即绝对零度(零下273.15摄氏度)左右。布劳内尔说:“这种芯片需要精确的温度,因此建造完美环境本身就已经成为挑战之一。目前,科学界已经投入大量资金和精力研究如何建造这种环境。”

  但维持完美环境只是建造量子计算机的挑战之一。伦敦大学学院计算机学教授彼得·宾利(Peter
J
Bentley)警告称:“我们才刚刚理解如何能够建造全功能的量子计算机,依然存在无数挑战。”

  宾利认为,我们可能还需数年时间才能看到真正的量子计算机诞生。他说:“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。因此,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。”

  但是谷歌显然有信心建造出量子计算机。布劳内尔认为,这些挑战不仅仅是针对谷歌的,也是针对我们所有人的。他说:“量子计算机将是另一款工具,可以帮助解决非常有挑战性、非常难以解决的问题。”

Google说,人类不能只有苹果的iOS,于是乎一堆基于Android的操作系统面世了!

9月11日,世界知名量子计算科学家、密西根大学终身教授、美国国家科学基金会“职业成就奖”(Career
Award)获得者施尧耘已正式加入阿里巴巴,担任阿里云首席量子技术科学家。

Google说,人类完全可以通过眼镜来搜索,于是乎一堆智能眼镜面世了!

世界知名量子计算科学家、密西根大学终身教授、美国国家科学基金会“职业成就奖”(Career
Award)获得者施尧耘

Google说,人类为什么要用双手开车?于是乎一堆无人驾驶汽车又面世了!

这是阿里巴巴NASA计划推行以来,入职的又一位顶级科学家。资料显示,施尧耘师从世界著名计算机科学家、计算机科学最高奖“图灵奖”目前唯一亚裔得主姚期智院士,并进行量子计算相关研究,后赴密西根大学任教。

现在Google又说:我们要改变计算方式,我们要投资量子计算机研究,我们取得了进展。

2004年,施尧耘获得美国国家科学基金会颁发的“职业成就奖”。他的多个研究项目获得美国国家科学基金的资助。此外,施尧耘教授在美国持有与量子科学相关的多项专利。

近日,谷歌量子人工智能实验室宣布,其发现一种量子算法,解决问题的速度比传统计算机快1亿倍,是1亿倍!

阿里的量子布局

事情大概是这样的:

量子计算机是指利用量子相干叠加原理,理论上具有超快的并行计算和模拟能力的计算机。如果将传统计算机比作自行车,量子计算机就好比飞机。使用亿亿次的“天河二号”超级计算机求解一个亿亿亿变量的方程组,所需时间为100年。而使用一台万亿次的量子计算机求解同一个方程组,仅需0.01秒。

2009年Google决定探索量子计算机,这时候很多科学家还在质疑量子计算机理论。Google彼时尚未成为Google
X实验室,无人驾驶汽车、Google大脑、Google Glass都是后来的事了。

早在两年前,阿里巴巴已经开始布局相关研究。2015年7月,中国科学院与阿里云在上海宣布,共同成立“中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室”,这是亚洲范围内的首个量子计算研究中心。

2013年Google从加拿大专注于量子计算机的D-Wave买了一台计算机,这是『全球首台商用的量子计算机』,售价大约1000~1500万美元,D-Wave2007年创立,2012年获得硅谷奇才、亚马逊创始人Jeff
Bezos(杰夫 贝索斯)与美国中情局旗下投资机构In-Q-Tel的投资。

阿里巴巴之前的牛是这样吹的…

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– 2030年制造出500-1000量子比特的通用型量子计算机。

Google在量子计算机上的投入非常之惊人:这一年谷歌在量子计算上花费的研发费用大约是80亿美元。这是什么概念?

– 用在监控领域,量子计算机可以瞬间扫描全球60亿张人脸。

阿里巴巴在今年宣布投资60亿美元复活口碑成为行业大事件,百度宣布19亿美金收购91无线创下中国互联网并购记录,美团和大众点评合并后170亿美元打破行业记录…而Google一年在量子计算机这一『生僻』学科上的投资,便高达80亿美元!


我们希望通过10-15年的努力,能够比目前超级计算机快百亿亿倍。百亿亿倍是什么概念呢?中国10亿人,每个人能分到10万台天河二号(的运算能力)。

为人熟知截止2012年最贵的火星探测项目『好奇号』,总投资25亿美元,在Google量子计算机投入上显得有些小巫见大巫。

尽管这些想象空间有点超前,但计算能力是无上限的,目前阿里巴巴计划每年投入3000万元在量子计算研究中心。

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2017年3月29日,网商银行采用量子技术在专有云上完成了量子加密通讯试点,阿里云成为全世界第一家可以提供量子加密信息传送服务的云计算公司。

更搞笑的是,这一年,Google在量子计算机上没有什么进展…这么多钱看上去都打了水漂。

同月,阿里巴巴公布了面向未来的NASA计划——建立“研发导弹”的机制,面向未来20年组建强大的独立研发部门,为服务20亿人的新经济体储备核心科技。其中,量子技术是NASA计划要重点突破的领域之一。

不过,Google继续加大对量子计算机的投入,颇为任性。

2017年5月,世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算机在中国诞生。该光量子计算机是由中科大、中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室、浙江大学、中科院物理所等协同完成的。这是一次企业+研究所+大学+政府(阿里巴巴+中科院+中科大+上海)的四方共赢之举。

NASA埃姆斯研究中心、美国加州大学圣巴巴拉分校等研究机构与谷歌就量子计算进行合作,并装备了D-Wave
2X。

全球玩家有哪些?

NASA希望未来借助量子计算技术安排火箭发生、模拟太空飞行。

中国量子科技的带头人潘建伟院士曾提到,“今年3月,我在美国见到比尔·盖茨,他告诉我他投的每一个项目,他都懂,唯独量子计算他不懂,但还是要投!”

现在,谷歌宣布『快1亿倍』的算法应用在“量子退火”(quantum
annealing)技术上,其在面对1000个变量寻找最优化结果时,速度往普通计算机快了1亿倍。

量子计算机、物理学、量子物理的优秀答主Summer
Clover曾简述过量子计算机的优势如下:

量子计算机原理与普通计算机完全不同,传统计算机最底层基于比特计算,每个比特使用的0或者1二元进制,因此过去会有32位、64位处理器的说法。而量子计算机在量子比特(qubit)上运算,可以计算0和1之间的数值,这样量子机器就能够同时处理大量的计算,进而速度更快,基于此更加节能,能够完成过去不可能实现的计算任务,比如一些计算任务理论上要1亿年完成,量子计算可大幅缩短周期进而更实用。(下图:密集恐惧症直接跳过~)

-相比于传统计算机,量子计算机的计算能力有指数级增长。

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-量子比特处于0和1的叠加态。经典比特只能取0或1。

对于Google的成果有科学家站出来质疑,例如瑞士苏黎世联邦理工学院的Matthias
Troyer就认为,Google处理的算法本身就更适合D-Wave这一计算设备,如果对算法稍作改进,其优势将降低100倍,一些复杂算法普通计算机可能表现更好。

-科学家已经成功实现过某些量子计算过程,比如解线性方程组和机器学习。

这些质疑并不重要,Google也承认,一台同样专业的非量子设备也能达到D-Wave的速度,不过他们相信量子计算机很快就能超过它。

-量子计算机需要对应的量子算法。

单纯的计算速度竞赛就跟手机跑分一样,没多大意义。

-量子计算机最重要的工业应用是人工智能/机器学习。

自从云计算兴起之后,基于现在计算原理的单台计算机速度已经丝毫不重要了。所以,自从2013年以来,中国的“天河二号”超级计算机就一直雄居全球超级计算机500强榜单之首,最近,它又拿了超级计算机榜单的冠军了。

-量子计算机最重要的学术应用是量子模拟。直接用量子计算机模拟原子尺度的过程。

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-量子计算机可以暴力破解所有经典密码。所有银行、证券,甚至国防、政府密码都不在话下。

百度今年则宣布推出Minwa超级计算机,未来18个月要研发出一个更强大的设备,能够进行每秒7千万亿次的计算,一旦成功,该设备将跻身全球十大超级计算机计算机之列。

-量子计算机可以暴力破解所有经典密码。所有银行、证券,甚至国防、政府密码都不在话下。

Google对于基于二进制的单机速度竞赛已经没有多大兴趣,现在人类需要的是从1到10000的量变引发质变,进而带来革命性突破,而不是从1到2的优化,因为从1到2有太多方式可实现了。

可以说,量子计算的重要性堪比工业革命的蒸汽机。目前这个领域最主要的大玩家有Google、IBM、微软、D-Wave
Systems(号称第一个商用量子计算机的Dwave),而这些大玩家企图将这种技术商业化的做法直接促使了云计算市场新一轮的较量。

巧合的是,12月11日,俄罗斯媒体报道,来自中国科技大学的学者使用一块金刚石建成世界上首台量子计算机,『该计算机能够在不到一秒的时间内提取获得被编码的信息,而普通的计算机要完成这一工作则需要几年甚至十年的时间。』,特别的是,量子计算机往往需要在带有气候检测的特别实验室运作,中国研发的量子计算机却能够在普通房屋内、正常室温下运转,这是借助于金刚石中少量的氮来完成的。

多年来,谷歌投入了大量时间、人力和金钱开发量子计算机,其目标是,量子人工智能、量子计算在机器学习、搜索引擎方面的应用。对于量子计算机的商业用途:量子模拟,量子辅助优化和量子采样,采用这些技术,可以让材料、金融、保健等行业从中受益。

经典计算的集大成者,Intel于今年加入到量子计算的行列。Intel过去以著名的Tick-Tock策略每两年升级一次制造工艺,今年7月宣布这一周期将延长到两年半,可见传统计算已经逼近其极限。今年Intel宣布与荷兰科研机构QuTech达成为期10年的合作计划,它将在量子计算机方面投资5000万美元,英特尔还计划利用自己的工程资源加速量子计算机的发展。

谷歌表示:保守估计,量子计算的投资者预计只能在长期获得回报。但随着小型的量子计算机会在5年内逐渐兴起,短期的回报仍然是有可能的。

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而微软的目标和IBM类似,制造通用型量子计算机。实际上,量子计算的商业应用现象已经悄然开启。IBM3月已宣布:2017年将推出全球第一个商业化(收费的)量子计算云服务——IBM
Q。该新系统可以为全球的研究人员服务,处理传统电脑无法解决的复杂计算,成为未来培育量子计算市场的关键。

相信接下来会有更多力量加入到量子计算大潮之中。

附量子应用大事记:

Google一直在看上去不大可能成功,至少短期内不大可能成功的事情上投入,例如无人驾驶汽车、量子计算机,还在不那么受关注的生物科学、航天工程等领域进行投入,在科技公司中显得很是另类。

1982年,诺贝尔奖获得者理查德·费曼提出“量子计算机”的概念。

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1994年,贝尔实验室的专家彼得·秀尔证明量子计算机能够完成对数运算,且速度远胜传统计算机。

↑ Google创始人Larry Page和Sergey Brin,图片来自网易

1997年,科学家首次用一对纠缠光子实现了量子信息传输。

《彭博商业周刊》的一份采访显示,Google创始人佩奇在批准一个针对搭载在固定翼飞行器上的高空风力发电机项目的投资时,提出唯一要求是,必须要在短期内摔坏至少5款设备。Google认为,那些成功率只有百万分之一的科学实验,需要巨额的资金、长期的信心,以及“摔坏东西”的意愿才能进行。Google
X实验室(官方的写法是“Google [x]”)负责推出自动驾驶汽车、Google
Glass,以及其他前景不确定的产品。Google还有一个实验室,目标是要打造出像科幻片《星际迷航》里一样的技术,而不是设计那些满足谷歌股东短期需求的产品。

2005年,世界第一台量子计算机原型机在美国诞生,基本符合了量子力学的全部本质特性。

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2007年2月,加拿大D-Wave系统公司宣布研制成功16位量子比特的超导量子计算机。

量子计算机未来是否会成功,或许并不是一个大概率事件,就像在火星上发现水,在宇宙中发现生命一样,不过万一成功了呢?

2007年,维也纳大学的安东·齐林格和他的同事们用一对纠缠光子在加那利群岛的两个岛之间传输了一份量子信息,传送距离超过了143千米。

有些事情,总得有人去做。

2010年1月,美国哈佛大学和澳洲昆士兰大学的科学家利用量子计算机准确算出了氢分子所含的能量。

本文首发雷科技。转载请联系雷科技(微信:leitech)。

2010年3月,德国于利希研究中心发表公报:该中心的超级计算机JUGENE成功模拟了42位的量子计算机。

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2010年,中国科大—清华大学联合小组成功实现了当时世界上最远距离的量子态隐形传输,传输距离达16公里。

2012年3月,IBM做到了在减少基本运算误差的同时,保持量子比特的量子机械特性完整性。

2015年7月,中国科学院与阿里巴巴集团旗下阿里云共同成立“中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室”,开展在量子信息科学领域的前瞻性研究。

2016年8月,我国自主研制的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”成功升空。

2017年3月,马云宣布启动阿里巴巴的“NASA计划”,并说“现在所研究的目标是为了解决10年、20年后的困难。

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