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科技巨头竞逐“量子霸权”

  虽然“谷歌实现量子霸权(quantumsupermacy)”的消息尚未坐实,但量子计算机的发展速度已经不可阻挡。

  去年12月,一台笔记本电脑即可模拟谷歌最好的量子计算机;到了今年1月,一台功能强大的台式机尚可与之媲美;等到“量子霸权”实现后,经典计算机的速度将无法再模拟量子计算机了。


  量子计算第一阶段

  谷歌有望成为首个宣称实现“量子霸权”的公司。早在去年谷歌就与NASA合作,致力于实现“量子霸权”。根据提前泄露的论文,谷歌已经能够利用一台53量子比特的量子计算机实现传统架构计算机无法完成的任务——在世界第一超算Summit需要计算1万年的实验中,谷歌的量子计算机只用了3分20秒。

  这是迄今为止表明量子计算机超越传统架构计算机,并走向实用化最为强烈的迹象。“相对于所有已知经典算法而言,这种巨大的提速在实验中实现了计算任务上的量子霸权,并预示了人们期待已久的计算范式的出现。”谷歌在论文中写道。

  不过NASA很快就把这篇文章删除了,谷歌官方也未对此表态。严谨的科学家认为,这或许是一项尚未证实的实验和一篇尚未完成的论文提前被泄露了。“谷歌的实验很可能还没有经过认证,提前被泄露了甚至可能引起相关的法律诉讼。”一位中科大从事量子物理研究的教授对第一财经记者表示。

六合宝典  目前尚无法证实谷歌是否真正实现了所谓的“量子霸权”,也就是指当量子计算机发展到50个比特时,计算能力将超越全球最快的传统计算机,实现“称霸”。但谷歌和IBM都已分别在2017年11月和2018年3月宣称实现了50个和72个量子位的原型机。

  今年3月3日,谷歌量子AI实验室三名科学家在《自然》杂志上发表文章指出:“量子计算领域即将迎来历史性的里程碑——量子霸权。虽然现在仍然不知道与应用相关的算法是否能够很快提升计算速度,但是只要量子计算的硬件,也就是量子计算机性能足够强大,我们就能够测试并且发展新的算法。”

  量子计算机的研制目标分为三个阶段:第一个阶段就是“量子霸权”阶段;第二个阶段是实用化量子模拟机阶段,实现数百个量子比特相干操纵的专用型量子计算系统,应用于具有实用价值的组合优化、量子化学、机器学习等方面,指导新材料设计、药物开发等;第三个阶段是通用可编程的量子计算机阶段,能够相干操纵数亿量子比特,实现可容错的量子计算机,能在经典密码破解、大数据搜索、人工智能等方面发挥巨大作用。

  “如果完成三个阶段,意味着人类实现了量子计算机的梦想,这将是人类实现第二次信息革命,全面进入量子信息时代的标志。”中科大副研究员张文卓对第一财经记者表示。

  目前,全球都仍处于第一阶段的竞逐中。在美国,从谷歌到IBM,在中国,从阿里巴巴到腾讯,世界顶尖的科技公司都在竞相建造出第一台可实际应用的量子计算机。

  关于量子计算机的“误解”

  欧洲量子通信领军人物、日内瓦大学教授尼古拉·吉森博士(NicolasGisin)对第一财经记者表示:“谷歌的这篇论文很可能是作为科学文章来发表,目前还未到解禁期。文章很可能是正确且真实存在的,即便谷歌量子计算机所计算的题目是人为设定的,会令经典计算机难以达到。”

  吉森教授还表示,量子计算机用于解决实际问题也不会是太遥远的将来。

六合宝典  目前科学家已经开始模拟量子计算用于解决新药研发和基因测序等方面的复杂问题。麻省理工学院教授PeterShor在日前中科大的一场墨子沙龙活动上表示:“我认为量子计算机要产生实际的作用,可能需要至少等上十年甚至更多的时间,才能够让一些实用的量子计算机做比较大的数字的因子分解。”

  Shor教授还表示,量子计算机和经典计算机的速度是很难做比较的,这就好像无法回答“火车要比船快多少的问题”。“这不仅仅取决于运输方式,还取决于目的地在哪里。”Shor教授表示。

  他认为,人们对于量子计算机还存在着很多误解,不应该单从速度的角度将量子计算机与经典计算机来作比较。“量子计算机不仅是经典计算机更快的版本,公众的误解非常普遍,他们觉得计算机非常重要的就是空间以及它的速度多快,而不是它的记忆、储存。”Shor教授解释道,“量子计算机上的每一步几乎肯定要比传统计算机复杂,但是量子计算机可以通过利用量子力学特性的算法,大大减少所需要的部署,从而加快计算的速度,这个是传统计算机所不具备的。”

  中科院院士、中科大教授潘建伟则表示,开发出这样一种全功能的量子计算机和量子模拟器需要很长时间,但人们已经开始使用一些局部的量子模拟,也就是所谓的“半量子模拟”来做相应的工作,从而支持到我们的机器学习等等,这也是很有实用价值的。

  根据波士顿咨询(BCG)援引部分制药行业的高管预估,量子模拟可将药物发现率提高5%到10%,并节省15%到20%的研发时间。与此同时,他们还认为更优的分子设计将推动药物审批效率。BCG预测2030年,在制药行业,量子计算市场规模将达200亿美元,化学、材料科学等科技密集型产业的规模将达70亿美元。

  BCG引用一家大型制药公司研发部门的负责人的话称:“在原子水平上,目前的高性能计算无法处理大多数的模拟,量子计算可以成倍地提高药物发现概率。在美国,如果复杂的量子模拟是可行的,有10%的公司愿意为其承担费用,这对应着150亿到300亿美元的量子计算市场机会。事实上,目前全球高性能计算的市场规模是100亿美元。”

  竞争

  尽管谷歌如果率先宣称实现“量子霸权”将是一个了不起的进步,但谷歌在美国的竞争对手IBM对此并不感冒,反而是提出了一个叫做“量子优势”的概念。IBM的量子计算战略负责人索托(RobertSutor)介绍道:“量子优势,是在一个真实应用场景,比如金融服务、AI、化学中,量子计算机做出了比任何经典计算机要明显优秀的工作。”

  IBM一直在探索量子计算的应用,还在线上对外开放了一台53比特的通用量子计算机IBMQ。这台量子计算机位于纽约,去年5月就已经投入在线运行。今年年初,IBM宣布了量子计算机的商业化方案,希望更多研究人员能够使用其在线量子计算系统。未来这台量子计算机有望在更多领域发挥用途,比如发现新材料和新药物,以及让人工智能变得更强大。

  不过,谷歌研究院、加州理工学院的理论物理学家布兰多(Fernando Brando)认为,在达成“量子霸权”之前,量子计算机不可能做出什么有意思的事。

  张文卓对第一财经记者表示:“实现量子计算的物理方案有很多种,互相竞争,IBM和谷歌的系统不一样,使用离子阱方案,无法扩展到很大,相比之下谷歌使用的是超导电路方案,原则上可以无限制扩展,这样看来,谷歌投的方案前景更大。”

  谷歌的科学家认为,未来几十年学界、行业和国家实验室需要联合起来开发量子模拟和量子机器学习的算法。“谷歌将基于云服务提供谷歌量子处理器的入口,来支持那些缺乏资金、技术和基础设施支撑的机构的研究。”谷歌研究人员表示。

  根据谷歌的定义,终极量子计算机将能够容忍噪音和错误,而且原则上能够处理任何问题。理论上讲,它们需要更强大的处理器,能够包容更多的量子比特,而且为了达到纠错功能,还需要机器冗余,不过要实现这样的技术至少还要等上10年左右。

  对于量子计算机的商业化前景,谷歌表示:“对于量子计算的保守估计,投资者预计只能在长期获得回报。尽管如此,我们依然认为,随着小型的量子计算机会在5年内逐渐兴起,短期的回报仍然是有可能的,虽然这些设备无法实现完全的纠错功能。”


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