比“超級(jí)計(jì)算機(jī)”還快的是什么?

在諸多新技術(shù)里，量子計(jì)算顯然是一個(gè)有力的競(jìng)爭(zhēng)者。

“我們的投入僅僅是一個(gè)開(kāi)始，未來(lái)還需要上億美元的投入。”英特爾公司高級(jí)副總裁、首席技術(shù)官兼英特爾研究院院長(zhǎng)MichaelMayberry30日在接受記者采訪時(shí)表示，目前量子計(jì)算仍處于馬拉松跑步的第一英里，真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化使用還需要十年時(shí)間。

但這并不影響全球的科技巨頭對(duì)量子計(jì)算做巨大的投入，作為下一次技術(shù)革命的核心，量子計(jì)算的能力被認(rèn)為遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)超級(jí)計(jì)算機(jī)。

美國(guó)加州理工學(xué)院物理學(xué)家約翰·普瑞斯基爾則指出，目前超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能完成5到20個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)所做的事情，但達(dá)到超過(guò)49個(gè)量子比特后，量子計(jì)算機(jī)的能力就顯現(xiàn)出來(lái)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)計(jì)算幾十年才能解決的數(shù)據(jù)問(wèn)題，量子計(jì)算可能只需要1秒就可以搞定。

在今年的美國(guó)CES展上，英特爾CEO科再奇正式對(duì)外展示了量子計(jì)算的進(jìn)展，宣布了向合作伙伴交付首個(gè)49量子位量子計(jì)算測(cè)試芯片，這距離該公司去年10月交付17量子位超導(dǎo)測(cè)試芯片僅過(guò)去約3個(gè)月。

“目前英特爾仍然對(duì)該產(chǎn)品做特性方面的測(cè)試，希望提升第二版本的性能，而在下半年會(huì)看到這方面的最新進(jìn)展。”MichaelMayberry對(duì)記者表示，英特爾對(duì)該技術(shù)的研發(fā)并不癡迷于“數(shù)量的糾錯(cuò)”，而是對(duì)量子位的糾錯(cuò)非常看重，在上面能做什么樣的操作以及操作的穩(wěn)定性，比如藥物開(kāi)發(fā)、金融建模和天氣預(yù)報(bào)等。

突破傳統(tǒng)計(jì)算“禁區(qū)”

當(dāng)你測(cè)量一個(gè)微小的電子時(shí)，就會(huì)影響到遠(yuǎn)處另一個(gè)電子的狀態(tài)，愛(ài)因斯坦把量子的糾纏和疊加稱(chēng)作“鬼魅般的超距作用”。即使對(duì)世界上最聰明的人來(lái)說(shuō)，量子力學(xué)看起來(lái)也像魔法一樣。

量子計(jì)算可以帶來(lái)極高的計(jì)算速度、非常靈敏的探測(cè)器，并且能創(chuàng)建牢不可破的加密功能來(lái)保護(hù)重要的數(shù)字信息。MichaelMayberry對(duì)記者表示，量子計(jì)算是一種令人興奮的全新計(jì)算模式，它不同于當(dāng)前數(shù)據(jù)中心、云環(huán)境、PC和其他設(shè)備中的數(shù)字計(jì)算。數(shù)字計(jì)算需要把數(shù)據(jù)編碼為二進(jìn)制數(shù)字(比特位)，每個(gè)比特位處于兩個(gè)確定狀態(tài)中的一個(gè)(0或1)。然而，量子計(jì)算使用量子位，后者可以同時(shí)處于多個(gè)狀態(tài)。因此，量子位上的操作可以實(shí)現(xiàn)并行的大量計(jì)算。

從本質(zhì)上說(shuō)，量子計(jì)算就是并行計(jì)算的終極目標(biāo)，有攻克傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)解難題的巨大潛力。例如，量子計(jì)算機(jī)可以模擬自然環(huán)境來(lái)推進(jìn)化學(xué)、材料科學(xué)和分子建模等領(lǐng)域的科研工作。

“量子計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能可以真正應(yīng)對(duì)我們想要理解的分子或材料的復(fù)雜性。”MichaelMayberry對(duì)記者說(shuō)。

為了釋放量子計(jì)算的潛力，英特爾在2015年啟動(dòng)了一個(gè)合作研究項(xiàng)目，其目標(biāo)是開(kāi)發(fā)商業(yè)上可行的量子計(jì)算系統(tǒng)。

雖然已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展，但是量子計(jì)算研究仍然處于萌芽階段。例如，現(xiàn)在還不清楚量子處理器(或量子位)會(huì)采用哪種形式。這就是為何英特爾要押注幾個(gè)方向，并對(duì)它們同等投資。

其中的一種可能的形式是超導(dǎo)量子位，英特爾在開(kāi)發(fā)這類(lèi)測(cè)試芯片中取得快速進(jìn)展，行業(yè)和學(xué)術(shù)界的其他廠商和機(jī)構(gòu)也在追求這種方案?；谧陨淼墓杈w管制造專(zhuān)長(zhǎng)，英特爾還在研究另一種替代結(jié)構(gòu)。這種替代架構(gòu)被稱(chēng)作“自旋量子位”，其在硅片上運(yùn)行，可以克服一些量子計(jì)算從研究到實(shí)用的障礙。

“我們作為從事技術(shù)研究方面的人員來(lái)說(shuō)，一個(gè)非常重要的職責(zé)就是對(duì)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向做判斷和展望，所以在英特爾作為一家公司決定大舉投入前沿技術(shù)之前，我們從研究者角度來(lái)說(shuō)已經(jīng)找到了一些我們認(rèn)為值得投資的方向，比如說(shuō)人工智能、無(wú)人駕駛，當(dāng)然我們作為研究人員有的時(shí)候可能在方向性的預(yù)判上發(fā)生一些偏差，但是我認(rèn)為即便可能會(huì)有這種判斷上的失誤，但這種風(fēng)險(xiǎn)還是非常值得去冒的。尤其當(dāng)我們所做的技術(shù)前沿判斷和整個(gè)公司發(fā)展方向相吻合，得到公司全局支持的時(shí)候還是感到非常欣慰。”MichaelMayberry對(duì)記者表示。

他表示，從研究角度來(lái)說(shuō)，研發(fā)人員會(huì)對(duì)于可能要考慮的項(xiàng)目做一個(gè)評(píng)判，基本上四個(gè)潛在項(xiàng)目里最后會(huì)選一個(gè)來(lái)做，是四分之一的比例。如果這四分之一的比例被驗(yàn)證是有價(jià)值的，后續(xù)的開(kāi)發(fā)公司會(huì)跟上。

商業(yè)化落地需要十年

從美國(guó)到歐洲、從頂尖科研機(jī)構(gòu)到科技企業(yè)巨頭，圍繞量子技術(shù)的攻關(guān)已全面展開(kāi)，量子革命引發(fā)的新一輪科技競(jìng)賽如火如荼。

比如，Google在2017年4月份宣布推出49量子位處理器。Google首席科學(xué)家JohnMartinis曾公開(kāi)表示：為率先登頂“量子霸權(quán)”，他所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)正在利用49量子比特模擬系統(tǒng)攻克經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法解出的難題。

而半年后，美國(guó)IBM公司卻搶先一步宣布成功研制20量子位的處理器，推出50量子比特的所謂“量子計(jì)算原型機(jī)”，有望在2021年前推出首個(gè)在金融領(lǐng)域的量子計(jì)算應(yīng)用。這無(wú)疑是對(duì)Google的“量子霸權(quán)”算法提出挑戰(zhàn)。另一方面，IBM至今未公布“量子計(jì)算原型機(jī)”的詳細(xì)性能和測(cè)試結(jié)果。

隨后微軟也推出了其通用量子計(jì)算研發(fā)計(jì)劃以及全棧開(kāi)發(fā)和模擬器，雖然還未公開(kāi)展示硬件設(shè)備。IonQ、QuantumCircuits等企業(yè)和日本理化研究所(RIKEN)也進(jìn)行著投資硬件開(kāi)發(fā)，不過(guò)它們尚未宣布研發(fā)成果。

而政府方面的投資更是不斷加大。

美國(guó)在理論方面推進(jìn)量子信息科技學(xué)科建設(shè)，在應(yīng)用技術(shù)方面研發(fā)高性能計(jì)算系統(tǒng)。目前，這兩項(xiàng)工作都被提升到國(guó)家戰(zhàn)略層面，政府投資每年達(dá)到3.5億美元。

面對(duì)全球企業(yè)以及政府對(duì)于量子計(jì)算的投資熱潮，MichaelMayberry記者表示，量子計(jì)算更像是一場(chǎng)馬拉松賽跑，現(xiàn)在仍處于第一英里的階段，不管大家的方向如何，最終的目的地是一樣的，而目前英特爾并不癡迷于糾結(jié)數(shù)量的問(wèn)題，從17到49，英特爾還是看重糾錯(cuò)能力。他表示，英特爾未來(lái)的投資將在數(shù)億美元的規(guī)模，而這僅僅只是一家公司的投入。

“我們的看法是量子計(jì)算真正地實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的使用還需要有十年時(shí)間，所以我們還有很長(zhǎng)的路要走，這個(gè)十年愿景目前離我們還挺遠(yuǎn)。但可以先把量子計(jì)算用來(lái)解決常規(guī)計(jì)算很難以解決的問(wèn)題，這一類(lèi)的問(wèn)題如果部分得到解決，會(huì)給我們整個(gè)世界帶來(lái)巨大的改變。比如說(shuō)我們或許可以使用量子計(jì)算開(kāi)發(fā)出一種催化劑，這種催化劑能夠改變汽車(chē)使用的燃油結(jié)構(gòu)或者它能夠捕捉空氣中的二氧化碳，如果能夠做到這一點(diǎn)將對(duì)氣候變化的大難題帶來(lái)革命性改變。”MichaelMayberry說(shuō)。

他認(rèn)為挑戰(zhàn)主要來(lái)自于四個(gè)方面。“第一個(gè)是不管Qubit做得有多好，我們都認(rèn)為它還是不足以好到完美，所以我們需要有糾錯(cuò)方面的工作來(lái)完成，以確保Qubit有足夠長(zhǎng)的生命期，長(zhǎng)到它能夠完成一些有意義的算法或者說(shuō)是計(jì)算。第二個(gè)是我們需要有在本地的對(duì)Qubit的控制，而不是這個(gè)控制是通過(guò)長(zhǎng)長(zhǎng)的纜線遙遠(yuǎn)地加以控制，我們需要的是在本地加以控制。第三個(gè)是指在路徑上的安排，我們?cè)趺茨軌虬堰@些Qubit真正地放到一個(gè)物理的Qubit系統(tǒng)當(dāng)中，怎么給它把路由做出來(lái)，做一個(gè)算法，有時(shí)候是直著走，有時(shí)候是要跳轉(zhuǎn)著做。第四個(gè)是在Qubit之間的連接，因?yàn)樾枰裃ubit能夠連接起來(lái)形成一個(gè)比較有規(guī)模的大的系統(tǒng)。現(xiàn)在我們有可能會(huì)有幾千個(gè)Qubit，但是怎么能夠把這幾千個(gè)Qubit連接起來(lái)是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。所以我說(shuō)有這四個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)。”MichaelMayberry說(shuō)。

“我們的終極目標(biāo)是制造一個(gè)商用量子計(jì)算機(jī)，政府以及各行各業(yè)可用它來(lái)應(yīng)對(duì)大數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)。”英特爾此前在給第一財(cái)經(jīng)的回復(fù)中提到，量子計(jì)算距離解決工程規(guī)模的問(wèn)題可能還需要5~7年。而從商業(yè)角度看，量子計(jì)算可能需要100萬(wàn)甚至更多的量子位才能有實(shí)用價(jià)值。