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IBM Q量子计算机让我们再次经历伟大的“1940 年代”

对于量子计算机而言,“这是开拓的 1940 年代!”IBM 公司的 CTO 兼量子计算、科技策略、大型计算机副总裁的史考特·克洛德(Scott Crowder)表示:“这不是 1960 年代或 1970 年代,而是 1940 年代。我们还处于早期发展;IBM 仍然在推动许多基本的基础建设,同时我们正在努力让更多人能运用这些系统。”虽然很多人以为 IBM Q 是从 IBM 研发中心到 IBM 商用大型主机的“接力交棒”,克洛德认为这不是一刀切,科研跟商业部署仍然是伙伴关系,但“这绝对是一个从纯科学研究到工程发展和商业化的转折点。”

1940 年代到底具有什么意义呢?因为第二次世界大战的当时,就在烽火交加中,现代意义的通用数位电子计算机的鼻祖 ENIAC 诞生了,用于计算炮兵弹道与氢弹设计。其设计崭新,现代自动化程式必要的回圈、分支选择、副程式等都已经出现(虽然当时是用开关切换、电缆线穿接来“写”程式),只要改变程式,通用计算机就可以应用到不同的用途,这把传统机械式(如打孔机计算器)、电机式(使用继电器)的计算机都扫进了历史。

回看 1980 年代中,量子计算还只是知名理论物理学家理查‧费曼(Richard Feynman)提出的纯理论,要不然只在科幻作品里存在;而 2017 年的现在,量子计算机不但在实验室打造出来,而且开始走向实用化了。量子计算机将会如何影响我们的日常生活呢? IBM 希望透过 IBM Q 来寻求解答。

IBM Q=2017 年的 ENIAC?

当新闻稿发表以后,大众最关心的,莫过于何时量子计算机会上市?IBM 宣布,未来几年内将把这通用量子计算机交货给合作伙伴。该公司还表示,打算在未来几年内打造到约 50 个量子位元(qubit)的系统。

什么是量子位元呢?传统的位元(bit)是非 0 即 1 的“开关”(这边 0、1 纯粹表示符号),我们只要有很多开关,就可以用来编码表示数字、文字、声音、画面像素等资料;然而量子位元除了可以是 0 或 1,更可以是 0 与 1 的“量子叠加”!很难理解的话,笔者用最简单的方式解说:一个量子位元在进行观测前,可以说是“一定可能性的 0 加上一定可能性的 1”,例如机率 16/25 的 1 加上机率 9/25 的 0,或机率 9/25 的 1 加上机率 16/25 的 0 等等,要直到进行观测后(机率大者被观测到),才会变成是确定的 1 或 0。

如果你觉得还是如天书般难懂,笔者用更具体的例子来比喻好了。一个量子位元就相当于一把左轮手枪,里面放了几颗子弹不知道。只玩一次俄罗斯轮盘,在尚未扣下扳机前,有子弹(1)?没子弹(0)?这是机率问题,要等扣下扳机以后才会知道是 0 还是 1 。量子运算上,也是以机率的形态进行,不同于传统演算法只会得到单一状态的结果,而是所有状态同时存在,经过量测后才得出最后答案,这使量子计算从最基本开始就有平行性,而且有真正的乱数随机性。

说回来,IBM 只公布了一个模糊的时间表,有些人可能怀疑:“IBM Q 此举只是为了要在量子计算机这尖端的技术领域夺取镁光灯,实际上没有任何计划吧?”取名为“Q”,实在很难不让人联想到经典科幻影集《银河飞龙》(Star Trek: The Next Generation)里的角色,全知全能的贵族连续体“Q”。

只是漂亮的公关手段?克洛德说,他们其实有非常确实的日程安排。“是的,我们内部对未来几年的时程有一个严格的规划,”他笑着说:“我们已宣布今年的目标,是向特定产业的合作伙伴提供系统。此外,我已经说过,在未来几年内我们会将计算机升级到大约 50 个量子位元的水准。”克洛德具体提到打算让 IBM Q 量子计算机“成为现实”,而不仅仅是“书面简报档案和纯展示用实验品”。

虽然 IBM 对实际的时间表三缄其口,但对其产品与市场上其他既有产品的差别到底在哪里,IBM 则完全不保留地详加说明。如果你有密切关注量子计算机的发展,当 IBM 早先发表 IBM Q时,你应该就已觉得疑惑了,因为 D-Wave 公司早就向企业用户提供商用量子计算机几年了,IBM 的量子计算机跟 D-Wave 的究竟有何不同?

相较之下,D-Wave 的产品量子位元数有 2,000 个之大,远远超过 IBM Q 预定要达成的 50 量子位元,然而,两种硬体其实无法直接相比。因为 D-Wave 的设计基于“量子退火”演算法(quantum annealers,用于在庞大组合的可能性中找到最佳解),这只能解决某些特定问题,D-Wave 所开发的产品因此被批评不是通用的量子计算机,毕竟只能在特定的演算法下,大胜过传统计算机;此外,到目前为止有很多学者,质疑 D-Wave 的计算机是否为真正的量子计算机。然而 IBM 致力打造的量子计算机,则是像古典计算机一样,是通用,可以解决许多类型问题。

不好理解的话,以现代的数位电子式个人计算机为例,今日街上的 ATM 自动柜员机、书店的 POS 计算机收银机甚至任天堂的迷你红白机(mini Famicom)等,打开其特殊外壳,你会发现它其实就是一台通用的 Windows 计算机或 Linux 计算机,只要你会置换程式,把 usb 线接上去,你可以把它改装用在别的用途,就像把 iOS 或 Android 手机或平板刷机;然而在 1970 年代中到 1980 年代个人计算机的萌芽期,市场上也曾有过大量专属功能的小型计算机,都是为特定目的量身订作,先天功能就被写死了,你可没办法自行“刷机”呢。

克洛德说:“我们提供的不是功能写死的系统,而是一个通用系统,”他补充说, “但更重要的是,量子计算的力量令人兴奋,每个人得以用它探索指数等级大的范畴。”

目前,IBM 的量子计算机已被运用在化学研究领域,而未来可能的应用方向,可能还有:

新药物与新材料:解开分子和化学反应的复杂性,探索新药物和材料的可能。供应炼和物流:寻找全球超高效物流和供应链的最佳路径,例如优化假期的宅配车队经营。金融服务:寻找新的方法来模拟金融数据和隔绝关键的全球风险因素,以做出更好的投资。AI 人工智慧:当资料集太大时,例如图像或影片资料,使机器学习能更加强大。云端安全:以量子物理学的法则来提高个人资讯的安全性(真正的算术随机性很关键),使云端计算更加安全。IBM 为了实现其计划,不只寻找客户,更是寻找合作伙伴。

合伙来探索量子计算机的应用

IBM 预计将在 2017 年底推出第一个能“尽早使用”的量子计算机给选择的行业合作伙伴。然而,这不是一个从制造商购买硬体的传统交易──该公司不只提供服务,而是把早期采用者当做“合伙人”。“对于我们第一个达成的成交对象,我们肯定希望是能密切合作的伙伴,”克洛德说:“我们希望找到能驾驭生态系的伙伴。”

量子计算机的运作,在空间、温度和其他物理特性上有严格要求,IBM 的伙伴将受益于这种体系,硬体本身将由 IBM 公司提供维护和定期升级,所以 IBM 的合作伙伴将更能集中精力善用其功能。

透过过去的 IBM Experience 云端量子计算服务,IBM 已经有良好的纪录。 “这不像你在实验室拼拼凑凑做出的 5 量子位元的计算机,今天它不听话,你踢它一下,它回复运作,算出你要的结果;然后两个月后,你又得故技重施,它才会再次听话工作。”克劳德说。 “不,我们已经证明,我们有一台从 2016 年 5 月运作到今天的可靠量子计算机了。”

在买卖的另一层面,IBM 希望透过合伙关系,能更清楚 IBM Q 的未来生意可能性。一个公司应该如何选择量子硬体?为什么选择运用量子硬体?这仍然是大哉问,与这些早期采用者协力可以较易挖出解答来。这不但帮助 IBM 本身,也帮助合伙公司在量子计算机的业务优势变明确之前就先搭上列车。然而  IBM 在企图领先业界之余,也尚未打算放弃其传统的数位电子计算业务。

量子计算机与传统计算机的共存?

关于这个问题,克洛德解释说:“传统计算机做得好的,是循序反覆批次储存、处理大量资料,它们做的比今天的量子计算更有效率,就我所知,即便未来这也不会变。理论上,通用量子计算机可以做一个传统计算机能做的任何功能,但在我看来,它们在处理大量的资料时不在行。量子计算机所擅长的,是当一个问题的解答有巨大的可能范围时,从中快速探索出最好的答案。”

IBM 并非将量子计算机视为传统计算机谱系的下一世代,而是旁枝的全新硬体类别,有自己的优势与缺点,以及在一些重大应用方面有十足潜力。

当然,它仍然是不成熟的科技。近年来,世界各地研究人员在运用大型通用量子计算机工作上取得巨大进展,但在零散的潜在应用方面却没有什么进展。这是一个恶性循环。“大约 20~25 个量子位元的计算机,仍然可以在你的笔记型计算机上模拟,”克洛德说。 “但到了 40、50 量子位元时左右的量子计算机,就算用现在世界上最大的超级计算机,也不可能模拟出来,这有一个有趣的不连续性。”

“你得实际使用过量子计算机系统,才会真正了解如何设计适于量子计算机的演算法和使用案例,”他补充说。 “你无法在传统计算机上模拟这件事。”

量子计算机缺乏 benchmark

关于打造通用的量子计算机,目前还处于早期的“40 年代”,甚至连评比不同量子计算机的标准方法都还没有,没有一个好的客观的 benchmark,不同的量子计算机厂商间的竞争,就会流于各说各话,行销话术满天飞,客户很难买到适合的产品。因此 IBM 希望透过一个称为量子卷(dubbed quantum volume)的量测法来解决这个问题,它考虑了量子位元的数量、量子操作的品质、量子位元的连接性、相干时间(coherence time,指物理波动上的相干)、并行性等。

“这一切总和起来,可以告诉你量子计算机到底有多强大,就在于它可以探索的空间之大,”克洛德说。“我们是很开放的,IBM 欢迎其他人也能来参与且完备这个测量基准。有了这一类基准,随着时间推移,人们才能容易地衡量:这个量子计算机跟那一台量子计算机比;这一代量子计算机与下一代量子计算机比,哪一台更强大?”

“没有比较基准”,这就表示说,要将量子计算从有希望的理论转变成可行的商业产品,还有很多配套的工作得进行。“就像我说过的,我们还在 40 年代,”克洛德说。“我们还没有一个基准来分类量子计算机系统的强大程度,但我认为,你会在未来几年看到这件事快速发展,因为 IBM 和其他公司会继续提高这些计算机的等级门槛。”

量子价值量测、与 IBM Q 合作伙伴的关系、IBM Experience 等等,IBM 正劳心于各项基础建设,要使量子计算成为其商业利益的关键组成,这些建设将在未来几年见真章。克洛德说:“我们确信,我们已经抓到了关键点,这条路将在不久的将来带我们看到通往更大的系统。”

投入大量时间和资源研发, IBM 要把量子计算商业化的雄心壮志不言可喻,如果加上能找到优质的合作伙伴,IBM Q 将可以将实验室的技术实用化,应用于现实世界中,我们大家可以拭目以待,科幻片里描述的量子计算机纪元是否即将到来?

    

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