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。”

全球第一款商用型量子计算机”的计算设备“D-Wave One”

量子计算机破晓:计算速度提升1亿倍

3月,谷歌量子AI实验室科学家在《自然》杂志上发表文章指出:量子计算领域即将迎来历史性的里程碑,小型的量子计算机会在5年内逐渐兴起。7月,美国公布的《2016-2045年新兴科技趋势报告》量子计算机的许多技术堡垒已经开始被逐一攻克,在未来的5-15年里,世界可能出现一款有实用意义的量子计算机。

即便谷歌与美国宇航局已经取得突破性进展,但谷歌量子人工智能实验室负责人也表示,要将这项成果转化成实用技术还需要一段时间。

越来越多的企业认为处理某些重要任务时用量子计算机会快上几百万倍。软银新成立的Vison基金准备投资量子计算;IBM、微软也在发力;还有在这个领域较出名的创业公司D-Wave
Systems都看好这套系统。到目前为止,量子计算机还没有用在任何商务活动中。

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量子技术正在将人类带上新高度。近日,谷歌开始科学实验室、AI研究人员通过网络连接到量子计算机,并加速商酌如何将项目变成业务。谷歌的目标是鼓励大家为新技术开发工具、应用,最终将它变成更快、更强大的云计算服务。

(图为D-Wave量子计算机)

据媒体获取的一份谷歌幻灯片演示稿显示:谷歌的量子硬件已完全暴露,包括其称为“胚胎量子数据中心”(Embryonic
quantum data
center)的新实验室。而另一个幻灯片则显示了“ProjectQ”项目的相关信息。
(注:ProjectQ是在Python中实现的量子计算的开源软件框架,它允许用户使用强大而直观的语法在Python中实现其量子程序。作为一个开源项目,目标是鼓励开发者为量子计算机编写代码。)

美国时间12月9日谷歌量子人工智能实验室宣布量子计算机最新进展:在两次测试中D-Wave
2X的运行速度比传统模拟装置计算机芯片运行速度快1亿倍。

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这项突破性的成果也打破了业内对于量子计算机真伪的存疑。这次,谷歌和NASA一同证实了量子计算机的可操作性。

Python的创始人Guido van Rossum

2013年,谷歌从D-Wave系统公司购买了一台量子计算机,并与NASA共同开展量子计算机的研究项目。事实上业内对于量子计算机是否真正能够投入商用存在多方质疑,D-Wave系统公司自2007年推出首台量子计算机开始就备受争议。一些学者认为由于量子形态并不稳定,量子计算机只是在理论层面可行,加上能够运用量子计算的算法有限相对编程也较传统计算机难度更大,因此并不具备可行性。

量子计算机(英语:quantum
computer)是一种使用量子逻辑进行通用计算的设备,通过叠加原理和量子纠缠等次原子粒子的特性来实现对数据的编码和操纵。传统计算机的半导体是靠控制集成电路来记录及运算信息,而量子计算机则希望控制原子或小分子的状态,记录和运算信息。

即便谷歌与美国宇航局已经取得突破性进展,但谷歌量子人工智能实验室负责人也表示,要将这项成果转化成实用技术还需要一段时间。

与普通计算机相比,量子计算机不仅速度超快,而且能解决复杂得多的问题。1994年,贝尔实验室的专家彼得·秀尔(Peter
Shor)证明量子计算机能做出离散对数运算,而且速度远胜传统电脑。因为量子不像半导体只能记录0与1,可以同时表示多种状态,如果把半导体比喻成单一乐器,量子计算机就像交响乐团,一次运算可以处理多种不同状况。一个40比特的量子计算机,就能在很短时间内解开1024位电脑花上数十年解决的问题。

D-Wave的黑科技

这种通过改变原子和其他微小粒子的工作方式解决了很多计算机目前尚未解决的难题,但现阶段量子计算技术仍饱受争议。尽管如此,谷歌和IBM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。

谷歌这台量子计算机D-Wave
2X从加拿大量子计算公司D-Wave手中购买。这家公司早在2007年就宣布研发出量子计算机,并在2012年获得亚马逊创始人Jeff
Bezos与美国中情局旗下投资机构In-Q-Tel的投资。

斯坦福大学量子计算研究人员彼得-麦克马洪(Peter
McMahon)认为“谷歌正在搭建量子硬件,同时软件也采用相当开放的心态。未来的某个时间点,谷歌就会让量子计算成为真正的云计算服务”。

但一直以来业界对于D-Wave所生产的量子计算机是否能够最终实现还存在争议。一部分学者认为,对于量子计算机的假设过于玄幻,事实上,计算机还有许多需要克服的技术问题,比如量子的不稳定性决定信息状态不稳定,这将影响到计算的准确性。

劳伦斯摩尔国家实验室(Lawrence Livermore National
Laboratory)科学家乔纳森-杜波依斯(Jonathan
DuBois)则认为,谷歌目前的计划比较清晰,就是想让政府和研究人员能够免费使用这一技术。但是谷歌发言人尚未对此进行回应。不过像类似提供早起免费使用技术的做法很契合谷歌云的长期战略。

今年8月,D-Wave公司发布了2X系统,其中运用了1152
Qubit的架构(对比第二代系统多了640
Qubit),这也是谷歌和NASA阶段性成果研发所运用的系统。

2014年,谷歌披露说它准备开发量子计算机能与现有超级计算机并驾齐驱,或者更好。曾豪言这套系统在2017年年底之前就会证明自己的“霸权”。今年5月份,谷歌已推出一块芯片,名叫Cloud
TPU,它以付费服务的形式租给客户以及免费提供给部分学术研究人员使用。此次被曝光的幻灯片,谷歌再次重申了这一预测。

对比之前的系统,研发团队重点从提升量子的运行速度转移到保持量子稳定性以提升性能上。

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与传统计算机有什么不同?

与普通计算机相比,量子计算机不仅速度超快,而且能解决复杂得多的问题。从理论上讲,量子计算在加密方面很有前途,与现有机器相比,它可以让数据传输更安全,同时量子机器可以大幅减少计算时间,大大降低云服务价格。

量子计算机与传统计算机最大不同之处是运算方式的不同。相较于基础的计算单位不同,传统的计算单位是bit,也就是我们常说的二进制中的0和1,这是计算机所能够辨认的最小信息单位,根据不同的组合排列能够蕴含复杂的信息内容。

不过量子计算机的体积更庞大,需要特殊维护,比如深度冷冻等问题,并不是所有企业都可以购买或者放进企业自己的数据中心,因此,目前用户能选择更好的使用方式便是通过互联网租用;另一方面,其高速的运算效率将提升云服务的竞争优势,若是按照分钟租用,这一优势将会极大的降低云服务的有效价格。这样,谷歌就可扭转目前的云服务产品落后于亚马逊、微软的局势。

传统的运行方式就像一群七岁的小朋友组成的小组,每个小组只需要运行一部分简单信息,最后再把这些信息运用算法来组合成新的信息,因此当给计算机抛出一个问题,计算机要对多种信息组合方式进行验证,来算出正确答案。以往的方式只是在于加快计算机的组合运算速度。

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量子计算机蕴含信息的最小单位被称为,是通过了“囚禁”原子技术,降低原子温度让原子保持量子形态。

多年来,谷歌投入了大量时间、人力和金钱开发量子计算机。对于量子计算机的商业化前景,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。

这些量子的最大特点是其包罗万象,一个量子能够同时代表0和1,这视用户所要提取信息而定。

同时,谷歌指出了早期量子计算最可行的三个商业用途: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。以材料学应用为例,通过量子计算进行建模,研究人员可以从数百万候选材料中选出更强的飞机聚合物材料,更高效的太阳能电池材料,更好的药品或更透气的面料。这些发现都具有巨大的商业价值。

这种设置从根本上提升了计算机的运行速度。按照传统算法,当用户需要提取某一个词组信息或者需要解决一个问题时,计算机要先把所有可能性列举出来并验证一遍才能得到正确的信息,而量子计算机能够直接计算并提取出相应信息。

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提高运行速度能做什么?

代表性技术

在电影《模仿游戏》中,Alan
Turing发明了图灵计算机减少排列信息组合时间,破译德军加密信息,让二战提前至少两年结束。而在图灵研发计算机的时候政府当局并不看好,认为通过计算机来验证排列组合是天方夜谭。

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。

可见提升计算机运行速度能够带来突破想象的改变。

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量子计算机最大的功能莫过于大幅缩短提取用户所需信息要用到的时间,因此能够用于解决一些目前悬而未决的问题。比如传统计算机花费上万年才能计算出来的算式,对于量子计算机来说可能只需要短短几秒钟的时间。因此,量子计算机最大的用途可以说是帮助提升科学研究的质量,比如帮助解决广为人知的组合优化类问题,包括基因序列分析和蛋白质折叠的风险分析等。

实际应用

即便克服量子稳定性的问题,量子计算机在实际落地推广方面也会遇到一些实质问题,最大的障碍是,并不是所有的算法都能运用量子计算机,以及对于程序员来说,要掌握一套比现有算法更为复杂的编程方式。

在不用多久,量子创业公司像雨后春笋般冒出尖头来。软银已新成立的Vison基金来准备投资量子计算,目前也有几家较为出名的家创业公司,如D-Wave
Systems、Rigetti Computing等。Rigetti
Computing为量子计算机开发设备和软件,已获得6900多万美元的融资,公司创始人查德·里格蒂(Chad
Rigetti),认为未来,量子计算技术现在跟AI一样火爆。

量子计算被认为是解决计算的临近物理屏障,但其运行背后的物理学是一门非常复杂的问题,谷歌量子人工智能实验室负责人也认为有未来还将面临更多的工作:“虽然这些结果是有趣和非常令人鼓舞的,还有更多的工作要做转向量子增强优化成一门实用技术。”

附量子计算的发展历程:

同时,谷歌还表示,最新的进展结果将对进一步商用以及解决有关机器智能的任务有所帮助。

2013年5月D-Wave
系统公司宣称NASA和Google共同预定了一台采用512量子位的D-Wave
Two量子计算机。

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2013年5月,谷歌和NASA在加利福尼亚的量子人工智能实验室发布D-Wave Two。

2013年6月,中国科学技术大学潘建伟院士领衔的量子光学和量子信息团队的陆朝阳、刘乃乐研究小组,在国际上首次成功实现用量子计算机求解线性方程组的实验。同年发现了世界上稳定度最高量子内存,建构实用量子计算机更进一步。

2015年5月,IBM在量子运算上获取两项关键性突破,开发出四量子位原型电路(Four
Quantum Bit Circuit),成为未来10年量子计算机基础。

2015年10月,新南威尔士大学首度使用硅制作出量子闸。

2016年8月,美国马里兰大学学院市分校发明世界上第一台由5量子比特组成的可编程量子计算机。

2017年5月,中国科学院宣布制造出世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机,研发了10比特超导量子线路样品,通过高精度脉冲控制和全局纠缠操作,成功实现了目前世界上最大数目的超导量子比特多体纯纠缠,并通过层析测量方法完整地刻画了十比特量子态。

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