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达沃斯论坛:世界需要更强算力,期待超高速量子计算机

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发布日期:2018-02-01

近日,微软CEO萨提亚·纳德拉(Satya Nadella)在达沃斯世界经济论坛上说,世界需要超高速量子计算机来解决一些最棘手的问题。

近日,微软CEO萨提亚·纳德拉(Satya Nadella)在达沃斯世界经济论坛上说,世界需要超高速量子计算机来解决一些最棘手的问题。例如人类需要创造一种能够吸收碳的催化剂,以帮助应对气候变化。如果不增加计算机的处理能力,这可能不会实现。

如果说人工智能的潜力激动人心,那么量子计算的潜力则更令人兴奋。

加利福尼亚州圣巴巴拉市离好莱坞的距离比离硅谷更近。在好莱坞这座“浮华城”的北边坐落着一个休闲氛围浓厚的斯坦福校园,令人意外的是,那里竟然是量子计算的发展中心,是这个行业的未来。靠近好莱坞确实是有道理的,因为电影剧本可能比教科书更能指导量子物理和量子力学。《暮光之城》中的描述或许是最恰当的:“你正在穿越另一个维度,不仅是视觉和声音的维度,还是心灵的维度。进入一片奇妙的土地,它的边界取决于你的想象力。那就是前方的路标—你的下一站,暮光之城。”

要给量子计算下定义绝非易事。量子计算起源于20世纪80年代,它利用了原子或原子核的特定量子物理性质,让它们以量子比特,或称量子位(qubit)的形式来工作,担当计算机的处理器和存储器。量子位彼此进行互动,同时与我们的环境相隔离,它们在执行特定计算任务时,性能可能远高于传统计算机,或称经典计算机。

光合作用、鸟类迁徙,甚至人类意识都被作为量子过程来研究。在今天的经典计算世界里,我们的大脑思考和我们的思维被输入到计算机中,而计算机反过来又在屏幕上提供反馈。在量子世界里,一些研究人员推测,我们的大脑和计算机之间不会有障碍,这是很长的一段路,但有朝一日,意识会与计算融合吗?从技术层面来看,这一天迟早会到来。

丹麦诺贝尔物理学奖得主尼尔斯·玻尔曾说:“如果量子力学还没有让你感到震惊,那说明你还没能理解它。”后来的诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼提出了量子计算的概念,引爆了全世界的热情,使得全球各地如今都在争相利用量子力学开发计算机。参与竞赛的包括微软、英特尔、谷歌和IBM,以及D-Wave等初创公司,甚至还包括拥有庞大国防预算的政府机构,他们都希望借助量子计算彻底改变计算本身的物理学原理。

当然,如果建造量子计算机是件容易的事情,现在早就已经完成了。经典计算受到二进制代码和物理定律的约束,量子计算则能将各种各样的计算—数学、科学和工程—从线性世界推进到量子位构成的多维宇宙。量子位不是简单的1或0这种经典比特,而是可以形成每一个组合——一个叠加,因而能够同时进行许多计算。因此,我们将进入一个可以同时响应许多并行计算的世界。根据我们的一位科学家的说法,在一个构造得当的量子算法中,结果就像“一场大屠杀,可以排除所有或绝大多数的错误答案”。

量子计算不仅比传统计算速度更快,它的工作负载也要服从于不同的扩展规律——这让摩尔定律变成了古老的记忆。由英特尔创始人戈登·摩尔提出的摩尔定律指出,一个设备的集成电路中包含的晶体管数量大约每两年增加一倍,一些早期的超级计算机大约拥有1.3万个晶体管,你家客厅里的Xbox One大约有50亿个晶体管。但英特尔最近几年报告称,发展速度已经放缓,因而为其他能够提供更快处理速度的技术创造了巨大需求,以便推动人工智能的增长。短期的结果是催生了图形处理器(GPU)集群、张量处理器(TPU)芯片和云端的现场可编程门阵列(FPGA)等新颖的加速器。但终极梦想,还是开发出量子计算机。

今天,我们面临的一些紧迫问题需要经典计算机花费几个世纪才能解决,但量子计算机只需要几分钟或几小时就能解决。比如,量子计算的速度和精度足以破解当今最高级别的加密技术,这着实令人难以置信。传统计算机要破解今天的RSA-2048加密技术需要花费10亿年,但量子计算机大约只需要100秒或不到两分钟的时间,即可将其破解。幸运的是,量子计算也将彻底改变传统的计算加密技术,使计算更加安全。

要实现这个目标,我们需要三个科学和工程上的突破。我们正在研究的数学突破是拓扑量子位;我们需要的超导突破是能够产生数千个极度可靠而稳定的拓扑量子位的制造过程;我们需要的计算机科学突破是一种给量子计算机编程的全新计算方法。

在微软,我们的员工和合作伙伴正在与传输、实验物理和理论物理、数学,以及计算机科学等领域展开合作,这些科学有朝一日将使量子计算成为现实,并将量子计算推向市场。

现在,人们对量子计算的强烈需求加快了竞争速度,而唯一能够率先实现目标的方法就是缩短理论、实验和开发之间的时间,量子计算机的研发已然成为一场军备竞赛。在各公司争相开发云计算、人工智能和混合现实的过程中,量子计算竞赛被很多人忽视了,原因之一就是它复杂而隐秘。

量子计算的一个重要价值是推进人工智能的发展,使之真正理解人类语言,然后对其加以准确总结。更有希望的是,量子计算最终可能催生令人难以置信的医学突破,从而挽救生命。比如,由于HIV蛋白质外壳变化多端,而且不断演化,开发一种HIV疫苗所涉及的计算问题非常复杂,是当今的计算资源难以解决的。因此这几十年来,科学家一直都说研发出HIV疫苗还要再等数十年。而有了量子计算机,我们就可以用新的方法来解决这个问题。

不过,千万不要以为量子计算机有朝一日将会以一种个人计算机的形式出现在你的办公桌上。相反,量子计算机将作为一个协处理器运行,接收一堆经典处理器发来的指令和提示。它将是一种位于云端的混合设备,以我们完全无法想象的方式加快极度复杂的计算速度。

目前,量子位的实验发展已经进化到一定阶段,现在已经能够实现可扩展量子位技术。展望未来几年,我们有望看到小型量子计算机的发展。更重要的是,一旦我们拥有了量子计算机,就可以加速发展更长的“逻辑量子位”,并着手开发更大、更强的量子计算机。这就需要今天的计算机科学家、物理学家、数学家和工程师共同努力,在通往通用量子计算的道路上克服各种挑战,最终借助量子计算将使人工智能更加智能,造福人类。

来源:瞭望智库

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