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谷歌的量子计算机可能会如何改变世界

华尔街日报刊文阐述谷歌的量子计算机可能会如何改变世界。该类超级强大的机器有潜力颠覆从科学和医疗到国家安全的一切——假如它能正常运作的话。

以下是文章主要内容:

哈穆特·奈文(Hartmut Neven)信奉平行世界。在最近的一个早上,在谷歌的洛杉矶办公室外面,这位53岁的计算机科学家在给我讲解量子力学如何支持所谓的多元宇宙理论。奈文指着处在我俩中间的那个磁带录音机。他说,我们看到的磁带录音机只是该设备的其中一个“经典形态”。“但在某个我们现在还没能感知到的地方,它有其它的版本。”据奈文称,不仅磁带录音机是这样,所有的物品都是如此。“即便是像你我这样的系统,”他表示,“在平行世界我们所有人都有不同的形态。”

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奈文领导过谷歌一部分最具开创性的项目,从图像识别软件到谷歌眼镜。现在他面前的那项任务是他在整个职业生涯中最错综复杂的一个:基于量子力学的怪异原理开发计算机。

量子力学

量子力学不好一下子就解释清楚,但Cliffs Notes版本是这么解释的:科学家证明原子能够同时以两种状态存在,这种现象叫做叠加。例如,单个原子能够同时存在于两个位置。

规模扩大的话,叠加甚至会变得更加怪异。由于世间万物都是由原子组成,有的物理学家作理论推定完全的物体存在于多个维度,让平行世界成为了可能。

连阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)都搞不清楚量子力学。该诺贝尔物理学奖得主声称量子力学背后的思考存在根本性的缺陷。后来,科学家们一再地确切证明了该理论。

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在谷歌位于加州圣巴巴拉的实验室里,该公司的量子芯片被冻结在悬在空中的低温恒温器里

这些原理是下一代计算革命的关键所在。在加州圣巴巴拉市的一个小型实验室里,奈文以及20多位谷歌物理学家和工程师在利用量子力学来打造运算潜力令人膛目结舌的计算机。可靠的规模化量子计算机有望改变从AI到化学的各行各业,加速机器学习的发展,带来新型的材料、化学物和药物。

“可正常运作的话,量子计算机将会改变整个世界,改变事物的运作方式。”硅谷知名风投Andreessen Horowitz合伙人、物理学家维贾伊·潘德(Vijay Pande)说道。该风投公司投资了量子计算初创公司Rigetti Computing。

其他的人则持不大一样的看法,尤其是学者。

“量子计算机不仅仅是我们所熟悉的那种计算机的更快速版本。它是一种全新的利用自然进行运算的方式。”德克萨斯州大学奥斯汀分校量子信息中心主任斯科特·阿伦森(Scott Aaronson)指出,“人们会问,‘它要快上一千倍吗?还是要快上百万倍?’这完全取决于应用。它有可能会在短短一分钟内解决我们通过经典计算机无数年都无法解决的问题。而在其它的测试中,量子计算机则可能只能给你带来不大的帮助,有时候甚至完全帮不上忙。”

量子计算机什么时候到来

近30年来,这些机器一直都被认为是只有科幻片才有的东西。几年前,科学界普遍认为可靠的规模化量子计算机至少20年后会到来,但也有可能永远都不会到来。

“现在不再有人说量子计算机永远都不会到来了。”加拿大针对量子计算的安全加密解决方案提供商Isara?的CEO斯科特·托茨克(Scott Totzke)说,“我们处在非常非常初期的发展阶段,但我们早就越过了科幻阶段。”

全球各地的企业和高校都在竞相开发这些机器,Alphabet旗下子公司谷歌似乎处在领先位置。明年年初,谷歌的量子计算机将会面临一次严峻的考验:解决一个晦涩难解的、经典计算机要花数十亿年才能完成的运算问题。如取得成功,那标志着“量子霸权”(对于某些问题,?量子算法的效率远远优于经典算法),标志着达到量子计算机完成某种以前不可能完成的事情的临界点。在计算机科学家们的口中,它将标志着一个新的计算时代,标志着所谓的经典时代的结束。

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谷歌64平方毫米的芯片目前是全球最先进的通用量子计算机

经典计算机,比如你的笔记本电脑或者手机,用比特(bit,信息量单位)来存储和处理信息。比特的值要么是1,要么是0。比特由被称作晶体管的微型电路表示。对于你的iPhone来说,每一次触控,每一次自拍,都只不过是由“1”和“0”组成的一个长序列。

量子比特(qubit)利用叠加同时以两种状态存在——实际是就是同时以1和0存在。在经典计算机中,比特就像是要么显示正面要么显示背面的硬币。而量子比特则像是被抛在空中的、不断旋转的硬币,同时显示正反面。

那种动态性让量子比特能够比比特编码和处理多得多的信息,以至于计算机科学家称时下性能最强大的笔记本电脑相比量子计算机就像是算盘。理论上,一个占据数个城市街区的数据中心的计算能力,一个句点般大小的量子芯片就能实现。

那种潜力是指数式增长的结果。增加一个比特,对于经典芯片的计算能力的提升微不足道,但增加一个量子比特,则可让量子芯片的计算能力翻一倍。300个比特的经典芯片大概可以驱动一部基本的计算器,但300个比特的芯片的计算能力则达到惊人的novemvigintillion——2后加90个0的数——一个超过宇宙原子总数量的数字。

经典计算机是二进制的,采用比特这一信息量单位,只能用“1”或者“0”来记录所有的信息状态。而量子计算机使用量子比特,这种单位能够同时是“1”和“0”。这让量子比特在特定任务中能够处理比比特多得多的信息——尤其是在结合的时候。每增加一个量子比特,量子计算机的运算能力就能翻一番,这种指数式增长可催生强大得多的规模化机器。

但这种对比仅适用于特定的运算任务。拿比特和量子比特比较不是易事,因为量子计算机和经典计算机是全然不同的两种机器。不同于经典计算机,量子计算机不会对一个问题的所有潜在解决方案进行检验。相反,它们利用算法来剔除导向错误答案的路径,仅留下导向正确答案的路径——那些算法仅适用于特定的问题。这使得量子计算机不适用于诸如网上冲浪的日常任务,因此别指望会出现量子iPhone。但它们能够做的是,解决特定复杂到难以想象的问题,如模拟新分子来设计更加轻盈的飞机部件、更加有效的药物和更好的电池。

量子计算机也存在错误率高的问题,因此部分科学家和数学家质疑它们的可行性。谷歌和其它的公司称该问题可通过纠正错误的算法来解决,但那些算法需要更多的量子比特来检查进行运算的量子比特的工作。有的专家估计,检查单个量子比特的工作将需要额外增加100个量子比特。

量子计算机的由来

觉得一头雾水吧?不只你一个是这样。微软联合创始人比尔·盖茨(Bill Gates)最近接受华尔街日报杂志采访时称,他搞不明白公司的量子计算项目相关的幻灯片。

曾获得诺贝尔奖的理论物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)如是说,“我想,可以说没有人能够理解量子力学。”

费曼是最早提出量子计算机概念的人之一。1981年,他在一次演讲时说,模拟物理将需要基于自然或者量子力学的计算机。“可惜自然并不寻常,”他说道,“如果想要模拟自然,那你最好利用量子力学。”

在之后的20年里,研究人员尝试打造费曼所设想的那种机器,但没有取得成功。量子比特被证明非常脆弱,变幻无常。它们只能够维持几纳秒(相当于十亿分之一秒)的叠加状态(给它们带来大规模运算能力的那种状态)。近乎感觉不到的细微温度变化,甚至空气的单个分子,都有可能让它们脱离那种状态。

“这有点像是试图让鸡蛋在针尖上保持平衡,”IBM量子计算科学家Jerry Chow在演讲中说道,“你肯定能够做到,但一旦噪声、热量或者震动带来哪怕一丁点的干扰,你也会一下子对它失去控制。”

在过去的5年间,科学家们在那种平衡做法上取得了巨大的进步。资本随之大量涌入,谷歌、微软、IBM、英特尔等大型科技公司都在展开相关的项目,来自潜在客户的兴趣也应声增加。

大众汽车公司正在测试加拿大公司D-Wave Systems打造的量子计算机。3月,双方称,利用来自北京的1万辆出租车的GPS数据,他们做出了一种算法来计算前往机场最快捷且交通最顺畅的路线。D-Wave表示,经典计算机需要45分钟完成那项任务,但它的量子计算机一瞬间就能完成。

听上去D-Wave似乎已经赢得了这场竞争,但该公司造价1500万美元的2000Q模型仅适用于范围有限的数据分析,其中包括大众汽车的测试。虽然该2000Q模型有2000个量子比特——科学家们警告称,该数字不应被拿来跟谷歌等公司的通用型量子计算机进行比较——该机器还没有实现“量子霸权”。D-Wave总裁博·埃瓦尔德(Bo Ewald)称,2000Q并不是寻求获得最好的答案,而是寻求“在很短的时间内获得足够好的答案。”

严阵以待

并不是所有人都热切盼望精确的规模化量子计算机的到来。从信用卡交易到手机短信发送的一切都是利用一种依赖于因子分解或者反向倍增法的算法来进行加密。庞大的数字——数百位数——充当加密数据的一把锁,而该数字的两个质因子就是钥匙。这种所谓的公钥密码系统被用来保护健康档案、在线交易和大量其它的敏感数据,因为经典计算机要数年时间才能找到那两个质因子。而量子计算机理论上可一转眼的功夫就找到。

企业和政府都在加紧为有的人所说的Y2Q作准备。Y2Q是指精确的规模化量子计算机的到来之年,有的专家估计该类机器大概会在2026年到来。当这一切发生的时候,我们本来严加看守的数字秘密可能会变得不堪一击。

去年,美国国家安全局(NSA)发布命令,要求美国国家安全职员和供应商必须要在“不远的将来”开始改造他们的加密系统,以防范量子计算机带来的威胁。由于国家安全信息必须要被保护数十年,该机构称新加密系统必须要在这些机器到来之前落实到位。它警告道,否则的话,可破译密码的量子计算机会对国家安全构成“毁灭性的影响”。

政府不仅仅在打防御战。据《华盛顿邮报》报道,前NSA雇员爱德华·斯诺登(Edward Snowden)2013年泄露的文件显示,作为8000万美元的研究项目“攻克难关”(Penetrating Hard Targets)的一部分,NSA正在开发自有的量子计算机。目前还不清楚NSA取得了多大的进展。该机构拒绝发表评论。

各方角逐量子计算机的主要动力在于,它拥有颠覆各行各业的潜力。专家认为,该类机器短期的最大希望是,为两个快速增长的领域机器学习和AI以及企业提供巨大助力。谷歌的奈文表示,预计十年内所有的机器学习技术都将运行于量子计算机。

竞争升温

这场商业化竞赛今年早些时候显著升温。5月,IBM发布16个量子比特的芯片,这是通用量子计算机的一个里程碑。前一天,一个贸易集团公布其对谷歌量子硬件负责人约翰·马丁尼斯(John Martinis)的采访内容,马丁尼斯不小心透露谷歌有22个量子比特的芯片。

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在显微镜下看谷歌64平方毫米的芯片,可以看到它的商标:该公司的名字拼写出现在底部

目前,谷歌的芯片被冻结在该公司的圣巴巴拉实验室被称作低温恒温器的精制大桶里面。该实验室位于洛杉矶,是奈文领带的量子项目的一个悠闲基地。里面有乒乓球桌和各式各样的小对鼓,整个空间感觉就像是附近的加州大学圣巴巴拉分校校园的延伸部分。办公室负责人马丁尼斯是该大学的物理学教授,他的很多雇员都是研究生。

在最近的一个下午,两位最近从加州大学圣巴巴拉分校获得博士学位的悠闲工程师丹尼尔·赞克(Daniel Sank)和阿米特·温森彻(Amit Vainsencher)带我去看位于该实验室一个角落的闪闪发光的低温恒温器。由于微粒受到再轻微的干扰也会脱离叠加状态,量子计算机必须要与外部世界完全隔绝开来。该低温恒温器的高导磁合金表面可阻隔地球的磁场,它上面贴着一个保险杠贴纸,写着:“我的另一台计算机是经典计算机。”

取自邻近布满银霜的容器的压缩氮和液态氮将低温恒温器内部冷却到零下459.6华氏度,该温度仅比最低的温度高一点,这给谷歌的量子比特进行运算创造了所需的导电条件。“如果你要摇动这个框架,实际上你可以看到温度计显示温度上升。”温森彻在摇动该将低温恒温器悬在空中来抑制来自震动的感染的架构之前表示,“我或许不该那么做。”

该装置如此错综复杂,而且费用高昂,这意味着谷歌和它的同行很可能将通过云端出售量子计算,可能会按秒计费。

目前,奈文在南加州的团队在紧锣密鼓地完成49个量子比特的芯片。他们希望该芯片会将他们带到量子霸权以及一个新的技术领域,在这个领域里,计算机利用复杂到无法想象的自然法则,而是将世界转变成“1”和“0”。

“这台计算机里面没有晶体管。”奈文说,“它是一个全然不同的野兽。它是多元宇宙里的原住民。”

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