NO.895 “量子霸权”真的来了?


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今天的罗胖,来自得到App的最新课程《前沿科技·量子计算》。量子计算这个词最近很热。

这门课的主理人是清华大学的李铁夫老师。他在量子计算机这个领域已经深耕近20年了,也是我非常尊敬的一位科学家。

“量子计算机”这个词,几年前还只能在科幻作品中看到。现在,你经常能听到IBM、微软、谷歌这些公司说它们在量子计算机上有了重大突破。甚至谷歌都号称他们已经实现了量子霸权。那么,量子霸权究竟是个什么技术?它发展到了哪个阶段?又对我们意味着什么呢?

接下来,就让我们一起听听李铁夫老师的讲解。

欢迎来到《量子计算》课程,我是李铁夫。

一、量子计算机已经诞生,正在成长

一台大规模的、能解决实际问题的量子计算机,什么时候能够实现,学术界还没有一个明确的时间点。

但好消息是,量子计算的计算思想已经在数学上被严格证明了。而且到现在为止,科学家也没有发现任何物理学上的困难,会限制量子计算机的实现。

这就好像,一个孩子已经出生了,虽然我们还不知道他长大后会是什么样子,但是只要他的身体健康、各项指标正常,我们就可以相信他会持续成长,对他的未来充满期待。

二、我们正处于实现“量子霸权”的关键节点

那我们现在发展到了什么阶段呢?现在我们正好到了一个关键节点:实现了“量子霸权”。

量子霸权其实是在2011年的时候,由科学家们提出的一个指标。这里所说的霸权,其实代表了对经典计算机的碾压。当然,这并不是说,需要量子计算机完全超越经典计算机。它更像是一个实验室指标,它指的是,量子计算机只要针对某个计算问题,拥有超越所有经典计算机的计算能力就算达成了量子霸权。甚至这个问题可以完全没有实际价值。

在2019年9月20日,谷歌公司就曾经发表过论文,论文里称他们率先达成了量子霸权。他们研发的量子计算机成功地在200秒内完成了一个计算问题,而现在最好的超级计算机来算这个问题需要1万年的时间。当然了,这个问题是专门设计的,并没有实际价值。

以前都是理论上、数学上的证明,这一次是实验结果给出了强有力的证据,证明了量子计算拥有超强算力。虽然这是具有重大里程碑意义的事情,但是根据论文透露,他们的量子计算机只有53个量子比特,距离使用肖尔算法这样的实用算法还有很远的距离。

那是不是说,这个里程碑达成了,接下来我们要想真正的使用到量子计算,只能等着量子计算机循序渐进地慢慢发展了呢?

三、简化后的专用量子计算机仍然有广泛的需求

实际情况是,我们可能会更早地使用上量子计算机。当然了这里说并不是那种功能完整的量子计算机,而是经过功能删减的,只能用于解决专门问题的量子计算机。

我们前面讲过,实现一个量子计算机需要在很多方面都要同时达到要求。但如果降低标准,放弃某些方面的要求,量子计算机实现起来就会容易很多。

比如,放弃掉量子计算机的纠错能力的话,就相当于取消了冗余信息,那样的话就可以有更多有效的量子比特进行计算了。这就代表了这样的量子计算机不能用来处理通用问题,但是还可以通过算法弥补其中的不足,用来解决一些特定的问题。

当然,更重要的是,我们现在就对这样的量子计算机充满了期待,即便是这样的简化版量子计算机也有庞大的潜在市场。这也正是现在很多公司和机构愿意投入研发的原因。

比如,在制药上,经常需要模拟一些蛋白质分子的折叠情况。因为像是阿尔茨海默症、帕金森症、2型糖尿病等等,这些疾病的致病原因都是因为体内的某些蛋白质折叠错误造成的。

对于这些病症如果想要研究清楚,那么就需要弄明白蛋白质的折叠情况。但是一个蛋白质分子是由许多原子构成的复杂结构,除了原子数量多之外,它的三维空间结构也会影响到它的性质。所以要想研究清楚蛋白质的结构,尤其是它对各种药物的反应,最好的方法就是用计算机将组成蛋白质的所有原子模拟出来,然后将所有变化和反应都在计算机里进行推演。

当然这样的操作依靠经典计算机的算力是无法实现的。但是交给量子计算机却可以,而且用简化版的量子计算机就能完成得很好。

虽然今天的量子计算机还不够帮助阿尔茨海默症这些疾病的研究,但在小规模问题上,这种模拟已经被成功验证了。2017年,IBM公司在7个量子比特的量子芯片上,模拟了氢化铍(BeH2)分子的特性。这虽然是一个简单的分子结构,还没有什么实际用途,但是这也成为了用量子计算机模拟分子的一个重要里程碑。

四、退火量子计算机是最先商用的专用量子计算机

这是用量子计算机进行模拟的例子,距离商业已经非常近了。接下来我要为你介绍一个已经在商用的专用量子计算机了。

它是加拿大的D-Wave公司早在2007年就推出的一台商用退火量子计算机。现在美国的NASA和谷歌都已经购买了这种量子计算机去解决实际的优化问题。

退火是一类算法的名字,专门用于进行问题优化,比如找到复杂区域的最优路线,找到某种材料的最稳定状态,等等。这个词最早是用在冶金技术上的,是指先把金属加热,然后快速降温,这样可以让金属的性质变得更好。

退火算法也是类似的操作,它就像是一个筛沙子的筛子一样,能把许多问题的极大值或是极小值迅速找出来。而量子退火算法会有自己独特的优势,因为它利用到了量子隧穿效应。

量子隧穿的意思,你可以这么来理解。

设想你站在一片群山当中,你希望找到水源,那就需要找到地势最低的地方。但是,每当你从一个峡谷走向另一个峡谷的时候,都不得不额外翻越一座一座的山峰。这样操作费时费力。

对于量子系统,就不用这样爬上爬下了。因为量子系统会有量子隧穿效应,它就像穿墙术一样,可以从山的这边一下子穿越到另一边,省时省力。

量子退火计算机就是为发挥出这个特性而专门设计的,所以它只能运行退火算法。虽然不通用,但量子退火算法正适合大数据、机器学习和人工智能等重要的应用场景,能帮助人们从体量巨大、结构繁多的数据中,挖掘规律,发现模式。这种需求可是非常庞大的。

五、未来十年量子计算机可以达到上百量子比特的数量

专用量子计算虽然需求广阔,但是我们的目标还是去实现能够真正通用的量子计算机。

现在学术界最理想的预期是,未来的十年左右,就可以实现上百个量子比特规模的通用量子计算机了。

这之后,量子计算机的进一步发展,就需要在系统和算法层面进行综合考虑了。之前经典计算机研发时的经验都可以提供借鉴。比如:利用模块化、网络化等方案来提高量子比特规模,这样就可以实现大规模可纠错的量子计算机了。

等真的到了这一步,量子计算机就真的可以成为了通用计算机。不只是去解决大数分解、无序数据库搜索、大分子模拟等等这些特定问题,而是能够用来解决更多、更通用的问题了。

同时,我们也完全可以相信,量子计算机也会和经典计算机一样,会有越来越多的量子算法被开发出来,会有更多的问题在量子计算机上得到解决。

六、量子计算机的极限就是量子力学的极限

最后我想分享一下的是,量子计算机既然这么厉害,那么它有没有自己的极限呢?

我认为量子计算机最大的用处,其实并不是解决今天的困难,而是发现未来。怎么理解?用一句话概括就是:“量子计算的极限,就是发现它自己的极限。”

还是回到第一讲,我告诉过你,计算机的本质是一个物理系统的演化。这个物理系统所遵从的规律,就是计算的法则。物理系统的规律是否更基础更底层,决定了计算机的算力是否强大。

所以,经典计算机的极限,其实就是经典物理学的极限。那么量子计算机的极限,自然就是量子力学的极限了。

量子计算的极限,就在于我们能否突破量子力学。它可是我们现在能够掌握的最基本、最底层的自然规律。

那么人类怎么才能发现更深层次的自然规律呢?

我相信要靠人类的进化。这里的“进化”,不是生物学意义上的进化,而是科技意义上的进化。

因为随着人类知识总量越来越丰富,学科分类越来越精细,很难再像牛顿时代、爱因斯坦时代那样,单靠个体有限的智力和寿命,推动科技快速进步了。

而新时期人类进化的目标,应该是利用有效的合作机制,集结全人类的智力,来应对科技知识快速增长的边际。

今天,全世界科技同行们,开展的最前沿的研究,包括量子计算、脑机接口、人工智能、万物互联等等,都是为了更有效地把每个个体的智力相互连接起来。

那样就能集合全人类的智力,并且用计算机强大的记忆和处理能力作为辅助。等到那个时候,曾经个体智力无法攻克的问题,就能被攻克了。同样也会有更基础和更底层的自然规律会被发现,最后一定可以冲破现在科技发展的天花板。

我相信,以量子计算为代表的算力提升,是人类进化的核心技术。当我们发现了更基础、更底层的自然规律后,在更强大的算力到来之时,才是量子计算机的巅峰极限。

课后小结

量子计算机现在就像是一个诞生的新生儿,它的一切指标都非常正常,我们可以对它的未来充满信心。虽然我们现在还没有真正意义上的通用量子计算机,但是在个别专用领域,已经有量子计算机在发挥价值了。相信很快,量子计算机的发展就会带来一个新的大时代。

思考题

你所在的行业,如果有了量子计算的超强算力,你觉得会有哪些变革呢?会带来底层观念的改变吗?欢迎留言与大家互动。

内容听完了,我是罗胖。

李铁夫老师在课程里打了一个比方,他说:如果把我们现在用的计算机看做是汽油的话,量子计算机就是核能源。它对人类算力水平的提升,那是碾压式的、飞跃式的进展。

所以李铁夫老师用短小精悍的8讲内容,把量子计算的原理和趋势,一网打尽。可以说是我们普通人了解这个领域最好的入口。

你现在在得到App首页搜索“计算”两个字,就可以看到《前沿科技·量子计算》这门课程。推荐你加入学习。

罗辑思维,明天见。