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从中国的量子计算原型「九章」想到的

 3 years ago
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从中国的量子计算原型「九章」想到的

观澜网络(杭州)有限公司 CTO


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最近两年,量子计算的领域发展的相当快。刚刚看到一篇新闻报道:

2020年12月4日,中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作,构建了76个光子的量子计算原型机「九章」,实现了具有实用前景的「高斯玻色取样」任务的快速求解。「九章」得名于我国古代一部知名的数学专著。
根据现有理论,该量子计算系统处理高斯玻色取样的速度比目前最快的超级计算机快一百万亿倍,其速度比去年谷歌发布的53个超导比特量子计算原型机「悬铃木」快一百亿倍。通常认为,50个量子比特是证明量子计算机有望超越传统计算机的关键门槛。

我最早关注量子计算,是因为看了微软CEO萨提亚纳德拉的自传「刷新」。纳德拉专门用一章的篇幅,介绍对量子计算未来的展望,以及微软公司对量子计算的研究投入。

2019年的时候,我参加一次技术会议,微软有一位研究量子计算的科学家演讲,简单的介绍了微软公司在量子计算方面的研究。

当时也是听得云里雾里的,微软的华人科学家也很难用通俗易懂的语言讲清楚量子计算的科研进展。能听明白的就是量子计算还处于非常早期的阶段,道远且阻。

量子计算为什么这么霸道?

看新闻报道的介绍,解决特定的数学问题,量子计算机是目前超级计算机的上百万亿倍。为何如此霸道呢?

这就要说到量子力学了。在微观世界,例如一个原子,它并不是我们人类想象的那样,是一个实实在在的圆球,它其实是一团概率分布,有n多种结果的概率叠加在一起。

我们拿参加考试的成绩来打个比方:

小明今天考试了,但是结果不知道,所以有101种可能性:从考了0分开始,一直到考了100分。

我们的宏观世界是这样的:只有一个小明,也只有一个考试成绩,要么及格,要么不及格。

但是微观的量子世界是这样的;有101个小明,有考0分的,有考1分的 ,......也有考100分的,他们按照各自的概率分布叠加在一起。

一个人可以同时分身出来101个,呈现101个不同结果的概率叠加,这就是微观量子的特性。

这用在计算机领域,那就厉害了。

我们都知道计算机靠CPU来运算,一颗CPU内核同时只能干一件事情,现在主流高端智能手机,动辄四核八核的CPU,意味着手机有了4-8个CPU内核,可以同时干4-8件事情了。超级计算机有几千颗CPU内核,那也不过就是同时能做几千个事情。

但是在微观世界的,一个量子比特,就能干n件事情 ,n至少大于等于2。 如果是两个量子比特呢?还能继续指数级别的叠加:能同时干n*n件事情,也就是n的2次方。

这在计算机领域,叫做能实现超大规模的并行运算。

比方说谷歌的「悬铃木」,53个量子比特,那意味着理论上来说,至少能同时做2的53次方的并行运算。中科大的「九章」就更厉害了,理论上可以实现 2的76次方的并行运算。一台量子计算机理论上的算力,要超过全世界所有计算机加起来的上亿倍了。

量子计算的未来

虽然量子计算从理论上来说,上限极高,但是目前还在非常原始的阶段。用计算机的发展历史对比,大概只相当于我们用计算尺来做算术的阶段而已,距离现代计算机的发明还很早。距离真正走向实用,可能还有几十年。

量子计算有三个发展阶段:

一、能制造产生50个以上的量子比特,解决某些特定数学问题。

中科大的「九章」和谷歌的「悬铃木」显然已经实现了这个目标了,验证了量子计算的光明未来。

二、可以精确操纵大规模的量子比特,解决目前超级计算机算力无法胜任的问题。

如果量子计算能够走到第二阶段,对人类社会的科技进步,就会产生难以想象的巨大进步。

因为我们人类社会自从走入信息时代,就有一个非常明显的发展趋势:算力推动着科技进步!

  • 因为算力被小型化,搬到了桌面,所以PC时代来临了;
  • 因为算力被移动化,搬到了手机上,所以移动时代来临了;
  • 因为算力实现了大规模分布式计算,所以人工智能时代开始来临。

其实我们人工智能使用的深度学习算法,已经有几十年的历史了,但是因为最近十年计算能力的突飞猛进,深度学习算法才发挥了如此大的威力。

大家也可以看到,无论是国外的科技巨头,谷歌,亚马逊,微软,还是国内的阿里,腾讯,以及华为,都是大规模建设IDC机房,积累算力资源。比方说光腾讯云的服务器资源就已经超过了一百万台。估计谷歌的服务器至少有几百万台了吧。

当然,现在的人工智能还只能解决一些特定问题,还算不上真正的智能,特别是不能解决一些尖端科技领域面临的难题。

想象一下,一旦量子计算机可以解决特定领域的问题,我们完全可以把量子计算机的计算资源接入目前的云端计算,在背后提供超级强大的算力。那么,人工智能领域会被大大的往前推进,科技会进步到让我们很难想象。

乐观的期待,也许几十年后,我们就会看到量子计算成为云计算背后的某些强大算力支持。而真正的人工智能时代才会来临。

三、可以精确操作上百万的量子比特,制造出可编程的通用量子计算机原型机。

用量子计算机取代目前的传统计算机,制造可编程的量子计算机,这是一个非常理想的终极目标了。但是在我们有生之年,肯定是看不到的。

这意味着量子计算的小型化。打个比方吧,就好像钢铁侠胸口前面的小型核聚变反应堆:方舟反应炉。到了那一步,不知道人类科技已经进步到何等程度了。

量子计算的军备竞赛

我一直信奉一个观点,就是:科技是推动人类进步的决定性力量。

在农业时代,为什么中国领先了全球几乎上千年?就是因为中国的农业技术水平,包括农耕和水利灌溉技术非常先进。

中国明清以后为什么衰落了?因为工业革命来临了,中国科技水平瞬间被甩到了灰尘里面了。

到了今天,全球基本上是中美两国的竞争,而欧洲已经落伍了,为何?就是因为信息技术产业革命以来,中美两国是领先的,欧洲没赶上就没落了。

而在未来科技的发展方向上,人工智能要在有大的跨越式发展,就必须依赖算力的爆炸式提升了。中美两国目前本身就在数据和算力上不断的积累竞争。

那我们想象一下,如果算力突然有了几亿倍的提升,那简直就是降维打击,直接碾压任何竞争对手,科技发展就会一骑绝尘。所以所谓的「量子霸权」也绝对不是空穴来风。

现在美国几大科技公司,谷歌,IBM和微软,都非常重视量子计算,在这个领域投入了很多资源在研究。幸运的是,我国在量子领域,并没有落伍,中科技的「九章」也很令人欣慰。

但国内的科技巨头,我还没有听说过在量子计算领域有什么投入,不得不说是一种遗憾吧。

最后,也希望我国能在量子计算的军备竞赛中,超越美国,率先实现量子计算走入实用阶段。


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