近日，華為發(fā)布了量子計算模擬器HiQ云服務(wù)平臺，包括量子計算模擬器與基于模擬器開發(fā)的量子編程框架。
其他科技巨頭們也紛紛亮出成果。今年5月，阿里巴巴達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室就推出了量子模擬器“太章”，在隨后的云棲大會上，阿里巴巴宣布已著手量子計算系統(tǒng)和超導(dǎo)量子芯片的研發(fā)。在今年3月，百度宣布成立量子計算研究所。而谷歌、微軟、英特爾、IBM等國外公司也早已在量子計算領(lǐng)域擁有一方勢力。
量子計算之所以如此重要，是因?yàn)槠湟环矫婵梢越鉀Q經(jīng)典計算機(jī)算力不足的問題，另一方面也可以減少能耗。
華為量子計算軟件與算法首席科學(xué)家翁文康接受21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報道記者專訪時談道：“量子計算是一種革命性的計算方法，根據(jù)量子效應(yīng)設(shè)計相應(yīng)的算法，能夠解決一些復(fù)雜的計算問題。而且這些問題是目前的計算機(jī)做不到的。在經(jīng)典計算機(jī)的架構(gòu)上，我們傳統(tǒng)上按照摩爾定律的思路，不斷地縮小器件工藝的尺寸，提高集成度去加速計算，但這個方法已經(jīng)到了瓶頸。”
承載著經(jīng)典計算機(jī)算力指標(biāo)的芯片目前已經(jīng)達(dá)到5nm的工藝，芯片上布滿百萬量級的納米級晶體管。隨著晶體管尺寸越來越小，運(yùn)行過程中會出現(xiàn)兩大難題：第一是發(fā)熱嚴(yán)重，使得計算效率降低，需要降溫;第二是當(dāng)晶體管尺寸減小到某一程度時，量子穿梭效應(yīng)很容易出現(xiàn)，即無需電壓，電子也可以穿過晶體管，這意味著晶體管無法控制電子的運(yùn)動，這也成為經(jīng)典計算機(jī)的一個瓶頸。
量子計算則可以利用量子比特(qubit)的疊加態(tài)、量子糾纏等特性來大幅度提升算力，人類探索更高的智慧文明，也需要更高的算力。因此，基于量子計算的量子計算機(jī)成為眾多公司的終極目標(biāo)，但是距離目標(biāo)實(shí)現(xiàn)還很遠(yuǎn)，目前各方都還在規(guī)模化地測試量子計算的可行性。
巨頭競逐量子計算
“過去量子計算主要在學(xué)術(shù)界發(fā)展，在最近三五年之間開始慢慢有企業(yè)對此產(chǎn)生興趣。”翁文康說道，“在企業(yè)的推動下，工程化有了快速的進(jìn)展，量子器件的性能得到大幅的提升。比如說量子比特數(shù)，企業(yè)介入之前只有大概三到五個，到了今天已經(jīng)有大概五十到七十個比特，這是大幅的跳升。”
70個量子比特的威力有多大?先來看經(jīng)典計算機(jī)中，采用的是二進(jìn)制，信息的最小單位是比特(bit)，一個比特代表“0”或者“1”;而量子比特是量子計算機(jī)中的最小信息單位，它的獨(dú)特之處在于還可以同時表達(dá)“0”和“1”，即兩種狀態(tài)可以同時存在。這就意味著有N個量子比特時，計算速度是2的N次方，計算能力呈指數(shù)級增長。2的70次方就等于1180591620717411303424次，一秒內(nèi)達(dá)到的運(yùn)算速度就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出目前最強(qiáng)經(jīng)典計算機(jī)。
超強(qiáng)的算力也令巨頭垂涎。
以華為為例，最新發(fā)布的量子計算模擬器HiQ云平臺，其實(shí)是華為對量子計算領(lǐng)域基礎(chǔ)科研投入的第一步。翁文康向記者介紹道：“我們在軟件并行架構(gòu)能力、云服務(wù)器的性能方面，是同時進(jìn)行優(yōu)化的，不但達(dá)到云平臺里面的指標(biāo)是業(yè)界里面領(lǐng)先的，比如說全振幅，42個比特，單比特是81到169個比特，也有能力做到量子糾錯電路模擬。”
華為量子計算軟件與算法架構(gòu)師、資深研究員張學(xué)倉進(jìn)一步向21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報道記者闡述道：“我們其實(shí)集成了好幾個模擬器，一個叫全振幅模擬器，我們?nèi)穹囊馑季褪?的N次方所有的量子概率幅度都算出來，這在所有的模擬當(dāng)中是最困難的，我們現(xiàn)在基于華為云用了幾百個節(jié)點(diǎn)，最大做到42量子比特，模擬器其實(shí)是屬于量子計算研究的中間產(chǎn)品，或者說是一個量子計算研究初始階段的工具，它不是量子計算機(jī)，它不是未來最終量子計算機(jī)的一部分，因?yàn)樗€是跑在經(jīng)典計算機(jī)上。”
而HiQ云平臺作為工具，可以加快量子計算領(lǐng)域軟硬件的開發(fā)和研究，翁文康說道：“雖然說業(yè)界硬件有進(jìn)展，但還是面臨非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程問題。”
再看量子領(lǐng)域的其他玩家。國外公司技術(shù)積淀已久，IBM在2017年就宣布成功研制50量子比特原型機(jī)，谷歌在今年宣布實(shí)現(xiàn)72個量子比特的原型機(jī);英特爾在量子計算芯片上摩拳擦掌，在2018年6月宣布開發(fā)出了新款量子芯片，并已在攝氏零下273度的極低溫度中進(jìn)行測試;微軟在2005年就已經(jīng)投入研究，2018年的新計劃是在五年內(nèi)造出第一臺擁有100個拓?fù)淞孔颖忍氐牧孔佑嬎銠C(jī)，并且將其整合到微軟云Azure當(dāng)中。
國內(nèi)科技企業(yè)也在加緊追趕研發(fā)。除了前述的華為，阿里巴巴也在招兵買馬，2015年就成立了量子計算的相關(guān)實(shí)驗(yàn)室，如今達(dá)摩院已經(jīng)開始研究量子芯片;騰訊在2017年底啟動了量子實(shí)驗(yàn)室，百度的量子實(shí)驗(yàn)室在2018年3月成立。
量子人工智能的“誘惑”
基于量子計算的神秘特性，其高效運(yùn)算將在人工智能、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域發(fā)揮作用。其中，人工智能和量子計算機(jī)的結(jié)合，是熱門的應(yīng)用場景，也是科學(xué)界近年來探討較多的話題。
清華大學(xué)交叉信息研究院院長、圖靈獎獲得者姚期智在近期的一場演講中就說道：“量子計算機(jī)之所以有很大的力量，一個原因是在原子上，量子物理能把經(jīng)典數(shù)據(jù)進(jìn)行指數(shù)級的壓縮，達(dá)到計算結(jié)果，如果用普通計算機(jī)沒法達(dá)到。(數(shù)據(jù))指數(shù)級地在時間上的加速，空間上的壓縮，這是一個很大的誘惑。”
在翁文康看來，量子計算和人工智能的結(jié)合比較自然。“我們可以利用量子計算去加速人工智能的應(yīng)用。也有另外一個方向，就是利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法去解決量子信息、量子計算里面的問題，這兩方面現(xiàn)在學(xué)術(shù)界里面都屬于量子人工智能。有非常多的進(jìn)展在這兩年爆發(fā)，量子人工智能是比較令人鼓舞的。”
他進(jìn)一步說道：“雖然在我們還沒有研制出通用的量子計算機(jī)，短時間以內(nèi)業(yè)界做的計算機(jī)可能量子比特的數(shù)目不多，但是它在某些方面已經(jīng)超越了超算的能力。但是，人工智能很多應(yīng)用，其實(shí)并不需要完美，結(jié)果是一個概率，可能到百分之八九十的準(zhǔn)確性已經(jīng)有很大的應(yīng)用價值。我們利用量子計算機(jī)，可以發(fā)揮很大的作用，這是在學(xué)術(shù)界里面非常熱門的課題。”
人工智能的三大要素分別是算力、算法和數(shù)據(jù)。而量子計算機(jī)在運(yùn)算速度、處理數(shù)據(jù)的能力上相比經(jīng)典計算機(jī)優(yōu)越得多，運(yùn)算速度指數(shù)級的增長無疑解決了現(xiàn)在AI算力缺乏的現(xiàn)狀。
量子算法是不是能夠讓人工智能算法更上一層樓?這成為了科技界的重要問題。為此，NASA和谷歌就聯(lián)合成立了人工智能實(shí)驗(yàn)室，微軟也有量子人工智能研究小組，清華大學(xué)交叉信息研究院也包含了量子人工智能的研究。
不過，張學(xué)倉也表示：“量子計算是一場從根上開始的革命，也就是說它從量子的芯片，芯片的控制系統(tǒng)到整個量子計算機(jī)工程化的系統(tǒng)，到最上面的軟件和算法，都需要很大的努力，都存在很多挑戰(zhàn)。但是最大的挑戰(zhàn)是怎么做芯片，一個是把芯片比特數(shù)做大，精度做得很高;另外一個針對不同的應(yīng)用開發(fā)更多的算法，因?yàn)樗惴ǚ浅ｋy理解。”
他還表示，量子計算機(jī)從硬件到軟件到算法都需要提升核心技術(shù)。整體來說還沒有到可以商業(yè)化的階段，還有很多的問題需要解決，但是我們已經(jīng)看到希望，在三到五年之內(nèi)專用的量子計算機(jī)在其擅長的領(lǐng)域真的可以解決一些現(xiàn)在超算都解決不了的問題。
