新科技快速指南系列之「量子計算」--歷史、現在與未來

一些大公司和政府已經開始將量子計算研究視為一場競賽——也許更適當地來說,這是一場距離終點線的距離和到達終點的獎勵都未知的競賽。
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原文來自 Wired《The Wired Guide To Quantum Computing》,作者 Tom Simonite。本文獲台灣康泰納仕集團授權提供,合作媒體 36 氪 編譯。

新科技快速指南系列之“量子計算”:歷史、現在與未來

當電腦變更小或者變更快時,就會發生下一個大事件(Big Things)。量子計算的出現,是為了追求技術史上最大的性能提升。基本理念是透過亞原子尺度的反直覺物理現象,來打破一些限制現有電腦計算速度的障礙。

就算科技領域成功實現了量子飛躍,你也不會有一台量子計算設備可以放在口袋裡。還不用開始為購買 iPhone Q 存錢。但是,我們可以看到它在推動許多科學和技術領域的顯著進步上有很大作用。

比如說電動車用的長效電池,或者重塑產業技術或實現新醫療的化學進步。量子電腦不可能在任何事情上都比傳統電腦做的更好更快,但是在一些棘手的問題上,它們有優勢,可以實現驚人的進步。

問從事量子計算研究的人,這些夢幻般的應用什麼時候才會成為現實,是沒有用的!某種意義上來說,也是不禮貌的。唯一可以肯定的是,他們還需要很多年的時間。量子計算硬體原型仍處於萌芽階段。但是,強大的——對於科技公司來說,能給其增加利潤的——量子物理驅動的電腦最近開始變得不那麼遙不可及了。

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IBM 的量子計算晶片的冷卻和結構(圖片底部的黑色小方塊)。

這是因為 Google、IBM 和其他公司已經決定,是時候對這一技術進行大量投資了,這反過來又幫助量子計算在金融(如摩根大通)和航空(如空中巴士)等領域的大公司的商業戰略上獲得了一個突破點。

根據 CB Insights 的數據,2017 年,風險投資者向全球從事量子計算硬體或軟體的新創公司一共投入了 2.41 億美元。這是前一年的 3 倍。

就像支持量子計算那些令人困惑的數學原理一樣,圍繞這項仍然不切實際的技術建立的一些期望也會讓你不知所以然。如果你現在在飛往舊金山的飛機上,瞇著眼睛向外看,你會看到一片量子炒作的陰霾在矽谷瀰漫著。但是量子計算的巨大潛力是不可否認的,它所需要的硬體正在快速發展。如果想要去理解量子計算,現在正是一個完美的時刻。

量子計算的歷史

量子計算的歷史始於 20 世紀初,當時物理學家開始意識到他們已經失去了對現實的掌控。

首先,對亞原子世界公認的解釋被證明是不完整的。例如,電子和其他粒子不僅僅像牛頓撞球那樣巧妙地運轉。有時它們表現得像波浪一樣。量子力學的出現,就是為了解釋這種奇怪的現象,但也提出了一些令人不安的問題。比如電子的位置,在被觀察到之前是不存在的。

加州理工學院的理查德·費曼(Richard Feynman)在因其對量子理論的貢獻獲得諾貝爾獎之前的一年評論說:

「沒有人理解量子力學。」它與我們體驗世界的方式是不相容的。但是有些人很好地理解了它,重新定義了我們對宇宙的理解。 1980 年代,他們中的一些人——包括費曼——開始琢磨像亞原子粒子「你看不到我,我就不存在」這樣的量子現像是否可以用來處理資訊。

80 年代和 90 年代形成的量子電腦的基本理論或藍圖,仍然指導著 Google 和其他從事這項技術的人。

在我們陷入量子計算 0.101 的黑暗淺灘之前,我們應該更新我們對普通舊電腦的理解。眾所皆知,智慧手錶、iPhone 和世界上最快的超級電腦基本上都在做同樣的事情--它們通過將訊息編碼為數位 bit(也就是 0 和 1)來執行計算。例如,電腦可能會將電路中的電壓打開和關閉,以表示 1 和 0。

量子電腦也使用 bit 進行計算。畢竟,我們希望它們能夠融入我們現有的數據和電腦。但是量子 bit 具有獨特而強大的特性,使得一組量子 bit 比同等數量的傳統 bit 做得事情要更多。

量子 bit 可以透過不同的方式來建構,但是它們都是利用電子控制的量子特性來代表數字 0 和 1 。

最受歡迎的例子——至少在人類的一部分中——包括超導電路,或者懸浮在電磁場中的單個原子。量子計算的魔力在於,這種安排讓量子 bit 做的不僅僅是在 0 和 1 之間翻轉。如果正確運用它們,它們就可以翻轉成一種神秘的模式,被稱為「疊加」。

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環狀電纜將晶片連接到其控制系統的結構底部。

你可能聽說過,疊加的量子 bit 同時是 0 和 1 。這並不完全正確,也不完全錯誤。但重要的是要知道,在這段解釋中「簡化的、大膽的」,我們稱之為完美的世界中,疊加的數學描述了當一個量子 bit 被讀出時發現 0 或 1 的機率——一個將它從量子疊加中崩潰為經典現實的操作。

量子電腦可以使用疊加的量子 bit 集合,來進行不同的可能路徑的計算。如果做得正確,指向不正確路徑的指針會被取消,當量子 bit 被讀出為 0 和 1 時,會留下正確的答案。

對於傳統電腦來說非常耗時的一些問題,量子電腦能夠以少得多的步驟找到解決方案。一種著名的量子搜尋演算法 Grover,只需 1 萬次運算,就可以在一本擁有 1 億個名字的電話簿中找到你。

一個經典的搜尋算法平均需要 5000 萬次運算,才能快速瀏覽所有列表並找到你。對於 Grover 和其他一些量子演算法來說,初始問題或者電話簿越大,傳統電腦就越容易被遺留在數字塵埃中。

我們今天沒有有用的量子電腦的原因,是量子 bit 非常有限。它們必須控制的量子效應非常微妙,雜散熱量或噪音都可能會翻轉 0 和 1 ,或者消除一個重要的疊加。

量子 bit 必須被小心地保護起來,並在非常冷的溫度下工作,有時只有絕對零度以上的幾分之一。大多數量子計算計劃都依賴於使用量子處理器,相當大的一部分能量來糾正其自身的錯誤,這些錯誤是由量子 bit 的誤射引起的。

最近對量子計算的樂觀,源於在減少量子 bit 碎片方面的進展。這讓研究人員有信心開始將這些設備捆綁成更大的組。創業公司 Rigetti Computing 最近宣布,它已經用 128 個量子 bit 的鋁電路製造了一個處理器,這些鋁電路經過超級冷卻使其超導。

Google 和 IBM 已經宣布他們各自擁有 72 和 50 量子 bit 的晶片。這仍然遠遠低於使用量子電腦進行實際工作所需的數量——可能至少需要數千台。但就在 2016 年,這些公司最好的晶片只有一位數的量子 bit 。在對電腦科學家產生強大誘惑的 30 年後,實用的量子計算可能並不是那麼接近現實,但它已經開始變得更接近了。

量子計算的未來

一些大公司和政府已經開始將量子計算研究視為一場競賽——也許更適當地來說,這是一場距離終點線的距離和到達終點的獎勵都未知的競賽。

Google、IBM、Intel 和微軟都已經擴大了他們在這項技術上的團隊,越來越多的新創公司如 Rigetti 都緊追不捨。中國和歐盟各自啟動了價值數十億美元的新計畫來刺激量子研發。

在美國, 川普在白宮成立了一個新的委員會來協調政府在量子資訊科學方面的工作。2018 年向美國國會提交了幾項議案,提議為量子研究提供新的資金,總額超過 13 億美元。目前還不清楚量子計算的第一批殺手級應用是什麼,也不清楚它們何時出現。但是有一種感覺,不管是誰首先使這些機器有實際效用,都會獲得巨大的經濟和國家安全優勢。

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銅結構能夠很好地傳導熱量,並將儀器與其冷卻系統連接起來。

然而,回到現實世界,量子處理器還太簡單了,不能進行實際工作。Google 正在努力進行一場名為「量子霸權」的演示,其中量子處理器將在現有超級電腦之外解決一個精心設計的數學問題。這將是一個歷史性的科學里程碑,但並不能證明量子計算已經能處理好真正的工作。

隨著量子電腦原型越來越大,它們的第一個實際用途可能是化學模擬。分子和原子的電腦模型對於尋找新藥或新材料至關重要。然而,傳統的電腦無法準確模擬化學反應過程中原子和電子的行為。為什麼?因為這種行為是由量子力學驅動的,量子力學對於傳統機器來說太複雜了。

戴姆勒和大眾汽車都已經開始研究量子計算作為改善電動汽車電池化學性能的方法。微軟表示,其他用途可能包括設計新的催化劑,降低工業過程的耗能,甚至從大氣中提取二氧化碳來緩解氣候變化。

量子電腦也是破解密碼的自然選擇。自 90 年代以來,我們就知道它們可以快速通過加密的數學基礎來保護網路銀行和購物等。量子處理器需要更先進才能做到這一點,但是政府和公司正在認真對待這一威脅。國家標準和技術研究所正在評估新的加密系統,這種系統可以在網際網路上進行量子驗證。

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當冷卻到操作溫度時,整個零件就隱藏在這個白色的絕緣外殼裡。

Google 等科技公司也在押注量子電腦可以讓人工智慧更強大的趨勢。這比化學或代碼破譯應用更進一步,但具體的細節並不太清楚,但是研究人員爭辯說,當他們和越來越大的量子處理器一起工作的時候,他們可以捕捉到更多的細節。

一個期望是,量子電腦可以幫助機器學習演算法使用比目前用於訓練人工智慧系統的數百萬個例子少得多的例子來完成複雜的任務。

儘管量子計算時代何時真正開始,還存在著所有類似疊加的不確定性,但大型科技公司認為,相關工程師現在需要做好準備。Google 、IBM 和微軟都發布了開源工具來幫助工程師熟悉量子硬體的編寫程序。IBM 甚至已經開始提供對其一些量子處理器的線上體驗,所以任何人都可以嘗試使用它們。長期來看,大型計算公司可以通過向公司收取費用來存取裝有過冷量子處理器的資料中心來賺錢。

對我們其他人來說有什麼好處?儘管有一些明顯的缺點,但傳統電腦已經讓生活變得更加安全、豐富和方便——我們中的許多人離一個小貓影片的時間距離從來不會超過五秒鐘。量子電腦時代應該有同樣廣泛的影響,但這還是未知的。



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