量子计算,可商用化之路还有多远? | 億歐问答

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人工智能芯片
億歐
劉玉豪
2020-03-01 · 22:55
[ 億歐导读 ] 量子計算作爲人類下一個十年發展的關鍵性技術變革,將帶領人類社會進入“新智能化”和“無限可能”時代。
雲計算,億歐智庫,智庫觀點 圖片來自“Unsplash”

2019年可謂量子計算的光輝之年,量子計算在這一年中不僅取得了諸多突破性進展,還連帶産生了大量創新式應用,如德國HQS宣布通過量子計算機有效模擬化學工程,奔馳計劃用量子計算機開發新型電池材料,大衆汽車通過量子計算機測試現實世界的交通優化情況等。

億歐智庫最新發布的《2020技術趨勢報告》中,通過技術篩選以及關鍵性指標測評,將量子計算技術列爲2020年之後的重點發展趨勢。

量子計算是基于量子力學的新型計算方式,利用量子疊加和糾纏等物理特性,以微觀粒子構成的量子比特爲基本單元,通過量子態的受控演化實現數據的存儲計算,量子計算包含量子處理器、量子編碼、量子算法、量子軟件以及外圍保障等多個技術環節。

量子比特,堆砌量子計算超長賽道

量子计算概念最早于20世纪80年代初期由费曼(Richard Feynman)和马宁(Yuri Manin)提出,初步描绘出量子现象具有潜在计算能力的发展愿景。

1985年,牛津大学的多伊奇(David Deutsch)提出了量子计算机的概念模型,即通用计算机(或叫量子图灵机),量子计算此时开始具备了数学的基本形式,任意一种量子算法均可以利用通用量子计算机实现。

1998年,IBM、牛津、伯克利、斯坦福和麻省理工學院的研究人員首次制作了2比特的計算系統,此後便拉開了量子計算的競賽序幕。

量子计算机的量子比特数发展发展及预测.png

可能大家對量子比特的意義相對陌生,量子計算機的計算能力是由量子比特數量來確定,通過設置量子比特,利用量子門讓它們處于糾纏態,並操縱它們各個狀態出現的可能性,以此達到並行計算能力。因此,量子比特數是衡量量子計算機性能的重要指標之一。

2018年,谷歌则已经成功研制出72量子比特芯片,并宣称这款量子芯片的错误率仅为1%,达到了实际使用的要求。2020年2月,英特尔公司宣称,与荷兰量子技术研究中心共同开发的低温量子控制芯片“马岭(Horse Ridge)”有潜力同时控制最多128个量子比特;同时,初创企业Rigetti Computing也正计划部署一个128量子位量子计算系统。

量子處理器,量子計算的核心博弈

雖然IBM、英特爾和谷歌等巨頭公司在量子比特方面不斷獲得突破,但都只是在量子處理器的核心方面,通過物理體系構建量子比特載體,目前世界上已經形成了超導、離子阱、半導體、中性原子、光量子、金剛石色心和拓撲等多種技術路線。

在科研界,普遍較多采用光學體系、離子阱等技術來做量子計算研究;而在企業工程化方向上,主流企業是在超導和半導體方向上進行研究突破,如谷歌、IBM主要技術路線爲超導體系,英特爾主要技術路線爲半導體體系。

在衆多主流技術路線中,超導技術和離子阱技術目前具有相對領先優勢,其中,超導量子計算是目前進展最快的一種固體量子計算實現方法。2019年,谷歌在一台53量子比特的超導量子計算機上運行隨機量子線路采樣任務,並與模擬超級計算機的計算進行對比,實現了量子計算原理和技術潛力的優勢證明,谷歌當時更是直接宣稱實現了“量子霸權”。

隨後,IBM對谷歌的說法進行了反駁,聲稱谷歌的“量子霸權”證明存有缺陷,並通過超級計算機的計算能力再次進行了對比證明,花了2.5天就完成了谷歌量子處理器的計算任務。不論雙方最終誰被證明是正確的,不可否認的是,谷歌實驗的確證明了量子計算的絕對優勢,並在量子計算的第一階段取得了重要突破。

這裏需要解釋一下什麽是量子霸權,量子霸權又叫量子優勢,即在未來的某個時刻,功能強大的量子計算機可以完成經典計算機幾乎不可能完成的任務,打破經典計算機所遵循的“摩爾定律”。 比如在一天之內破解原本幾萬年才能破解的密碼、實現通用人工智能等等。

谷歌、IBM等巨頭公司之所以會在量子霸權上進行爭奪,是因爲率先進入量子霸權後,不僅是對企業技術實力最好的證明,同時也會爲企業帶來巨大的商業價值。

2019年底,中科大在玻色取樣方面的研究成功也使得光量子技術路線得到進一步追趕,但從整體應用情況來看,目前尚無任何一種路線能夠完全滿足量子計算的實用化條件。

量子算法,推動量子計算發展的“活力劑”

量子處理器可應用之後,如果想要實現具體問題的解決,就必須要有相對應的算法。

在量子算法方面,1994年,贝尔实验室的应用数学家彼得·肖尔(Peter Shor)提出基于量子并行计算的大数质因子分解算法,并证明量子计算可以攻破当时广泛使用的公钥SPA体系;1996年,贝尔实验室的格鲁弗(Grover)提出了量子搜索方法,可以快速搜索未排序的数据库。Shor算法和Grover算法为量子计算机找到了可能的实际应用,也被称为经典量子算法。

此后,包括QEA算法、Grover算法, HHL算法、量子遗传算法、量子蚁群算法等各类算法层出不穷,对量子计算并行处理解决具体计算困难问题提供了重要支撑,基于量子处理器的量子计算云平台成为算法研究应用发展的主要形式。

目前,關于量子算法的推進速度遠超量子處理器的的研發速度。因爲多數企業開始采用經典計算機模擬量子芯片的計算方式,在虛擬化境下進行量子算法演繹,等量子算法成熟後,再反向推動專用量子芯片的設計,用以解決某一領域的具體問題。

如2017年,IBM便發布了全球首個通用量子計算雲服務。2018年,本源量子計算雲平台成功上線;中科院量子信息與量子科技創新研究院與阿裏雲宣布,在超導量子計算方向發布11比特的雲接入超導量子計算服務。2019年,華爲在HiQ量子雲平台基礎上推出了昆侖量子計算模擬一體機;微軟、亞馬遜等互聯網企業巨頭也相繼推出量子雲平台。

量子計算雲平台具有兩大優勢,一方面用戶可以在雲端的量子處理器上運行自定義的各種量子線路代碼,不僅能用于了解處理器的性能、技術瓶頸等重要特性,還將幫助到下一代處理器開發,爲優化應用積累經驗;另一方面,通過經典計算機模擬量子芯片的工作原理和運行邏輯,可以率先進行量子算法和軟件的開發、驗證。

專用量子計算曙光初現,通用量子計算任重道遠

相比经典计算机,量子计算具有指数量级的运算能力,在解决诸如新一代信息技术和人工智能所带来的庞大數據处理问题时,拥有经典计算无法比拟的巨大信息携带和超强并行处理能力。當前階段,量子計算的主要應用目標是解決大規模數據優化處理和特定計算困難問題。

産業層面,量子計算已經形成了政府、企業和學術機構協同合作的發展格局,並在容錯量子和演示量子方面均取得了裏程碑式的進展,但離實用化仍有較大距離。雖然D-Wave和IBM都已經宣稱擁有可商用量子計算機,但距離量子計算的真正商業化落地還相當遙遠。

量子計算機的發展要經曆三個階段,第一個就是量子霸權。第二階段是實用化量子模擬機,能被運用到機器學習、藥物開發等領域。第三階段,量子計算機達到通用可編程水平,能夠相幹操縱數億量子比特,實現可容錯的量子計算機。

从最终实用化阶段来看,量子模拟器和通用量子计算机在分子结构解析、人工智能、大數據处理、密码技术方面的颠覆性影响,将成为量子计算的长远发展目标,并有望应用于能源化工、生物科技、航空航天、信息通信、大數據、雲計算等商业领域。

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