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IBM研究院院长:量子计算“大爆发”将在十年内到来

2022年10月25日


“我相信,人工智能的进步与量子计算相结合,将带来一场行业革命。”

近几十年来,计算界一直遵循“摩尔定律”。然而,随着半导体行业接近物理极限,开发量子计算机的需求变得迫切起来。

【编者按】IBM研究院(IBM Research)院长达里奥·吉尔(Dario Gil)教授处于量子计算革命的最前沿,这场革命即将从根本上改变我们的世界。在近日接受以色列媒体CTech的专访中,他解释了哪些挑战推迟了这一梦想的实现,为什么需要成为一个爱因斯坦才能理解量子计算,以及我们何时才能最终开始使用量子计算。

以下为采访文章编译:

在IBM发布的几张图片中,他们的量子计算实验室看起来就像宇宙飞船的引擎室:明亮的白色房间,无数电缆从天花板垂到浮动的地板上,上面布满了通风口。一排排金属支架,上面悬挂着看起来像白色太阳能热水器的东西。

在这些“热水器”里,一场历史性的革命正在酝酿。拥有超过一个世纪历史的计算机巨头IBM,正试图通过赢得有史以来最艰苦、最昂贵和最有潜力的科学竞赛之一来重塑自己:开发量子计算机。“我们正生活在计算史上最激动人心的时代。”IBM高级副总裁、公司研究部门负责人达里奥-吉尔说。“我们正在见证一个类似于上个世纪40年代和50年代记录的时刻,当时第一批经典计算机被制造出来。”这次谈话几周后,他的说法得到了进一步证实,诺贝尔奖委员会宣布将物理学奖颁发给三位研究人员,他们的研究成为量子计算领域发展的里程碑。

吉尔在全球物理学家和计算机工程师中拥有很大名望,正领导世界上最先进的量子计算机开发工作。今年9月,当吉尔对特拉维夫进行短期访问并在IBM的会议上做开幕演讲时,大厅里挤满了高级工程师,来自以色列顶尖大学的研究人员以及政府机构的代表都被吉尔的演讲所吸引。

IBM研究院院长达里奥·吉尔(Dario Gil)教授。图片来源:Elad Gershgoren现年46岁的吉尔出生于西班牙,移居美国,在麻省理工学院学习并完成了博士学业,毕业后立即开始在IBM工作,担任一系列研发职位。自2019年以来,他一直领导该公司的研究部门,该部门在包括以色列在内的21个地点拥有3000名工程师。在他的管理下,2016年,IBM开发了第一台量子计算机,向所有人开放服务:如果你有一个复杂的问题需要解决,可以去IBM量子体验网站,通过云计算远程访问其中一台量子计算机,也许能收到答案。“量子计算不仅仅是一个极速计算机的名字。”吉尔说。事实上,量子计算机不再是一台使用所有经典计算机都采用的二进制方法的超级计算机,而是一台全新的机器,是从贝壳串、珠串、用于计算的条子,到基于齿轮的机械计算机、电子计算机,再到量子计算机的进化史上的又一发明。吉尔解释说:“从本质上说,量子计算机是一种自然模拟器,通过它可以模拟自然过程,从而解决以前无法解决的问题。如果说传统计算机是数学和信息的结合,那么量子计算就是物理和信息的结合。”

有了这种连接,就可能以前所未有的速度解决某类问题:谷歌也在开发一种量子计算机,2019年时便声称它已经达到了“量子霸权”——这证明了量子计算机远比传统计算机更高效。谷歌的研究人员展示了量子计算机如何在200秒内完成传统计算机需要一万年才能完成的计算。这一说法后来被其他研究人员推翻了,他们提出了一种算法,可以让传统计算机在合理的时间内执行同样的计算。即便如此,谷歌的这次失败也让人们了解到量子计算机拥有的巨大能量。

吉尔认为:“量子计算机不会让传统计算机变得多余:它们将共存,用于解决不同的问题。这就像问你如何从A地到B地:你可以步行、骑自行车、开车或坐飞机。如果这两点之间的距离是50千米,你不会选择坐飞机,相应的,这是一种适用于传统计算机的模式。但量子计算机可以让你快速地飞到其他地方,甚至是月球上。”

量子计算能做什么?

“量子计算将使我们有可能破解一系列看似无法解决的问题,从而改变世界。其中许多问题都与能源有关。另一些则与开发新材料有关。现代人倾向于认为我们可用的材料是理所当然的,但在过去,有些时代是由占主导地位的材料定义的,比如‘石器时代’、‘青铜时代’、‘铁器时代’。量子计算将帮助我们开发具有新特性的材料,因此,工业是第一个已经在使用它的行业,特别是汽车工业:汽车制造商需要更好的化学物质,以此生产更高效、更耐用的电动汽车电池。对于一台普通的计算机来说,这是一项巨大的任务,为了完成它,我们必须放弃准确性,只满足于近似的答案。但量子计算甚至可以在不进入实验室的情况下,帮助快速开发适合这项任务的材料。量子计算机在化学问题上的效率也应用于制药业:研究人员使用这种计算机来检验分子的性质,从而加快新药的开发。此外,在化肥工业,量子计算将有助于开发出生产过程不会破坏环境的物质。”吉尔说。

量子计算的用途并不局限于物质世界。“例如,对于金融行业来说,量子计算机能够进行场景分析、风险管理和预测。从业者对这种可能的应用途径非常感兴趣,这将为公众显著提高投资组合的表现。”

与此同时,量子计算将促使一些行业重新规划发展路径,信息安全行业首当其冲。现代的加密系统(主要是RSA,其开发人员之一是以色列的Adi Shamir教授)是不对称的:每个接收者发布一个代码,允许发送给他们的信息被加密,其中包括两个被加密的大素数的乘积。要破译加密的信息,这个产品必须在不知道初始数字是什么的情况下,被分解成因子。“完成这项任务,一台普通计算机需要计算多年,”吉尔解释说,“然而,量子计算机可能只需要几秒钟就能完成。”

这对整个计算行业都是一个真正的威胁,其背后的逻辑从上世纪70年代就已经建立起来,而现在突然在它下面出现了裂缝。

“一台普通计算机需要一万年才能解决量子计算机瞬间就能解决的加密问题。这就是为什么量子计算机威胁到了网络空间和加密世界,因为这是所有全球信息安全的基础。这个例子与物理或自然无关,而只与量子计算机更强、更快的计算能力有关。”

违反了所有直觉规律的电脑

要理解量子计算机的威力,首先必须打破“量子计算”这个概念。第一步是忘记比特和二进制,停止用1和0的概念来思考。理解量子计算的关键是认识到这种二分法并不存在:量子计算依赖于一个被称为量子位(qubit)(quantum bit的缩写)的基本信息单位,而不是比特。量子位同时是1、0和介于两者之间的所有东西。

现在来解释量子计算机的基础理论,它似乎是违背常识的。“量子理论使得解释非常非常小的粒子的行为成为可能。”吉尔解释道,“在学校里,我们看到的是一个看起来像行星的原子模型,原子核和电子在周围移动,但在20世纪初,这个模型被证明不是很准确。”当马克斯·普朗克(Max Planck)和阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)等物理学家意识到,在此之前被物理学视为“波”的光,也表现为粒子,这种粒子的能量只能用“量子”跃迁来描述,也就是离散数据包。在随后的几十年里,这个理论得到了越来越多的发展,并被证明可以有效地描述粒子世界中的各种现象。然而,即使在今天,它的深层含义仍然不为人知。

例如,一个粒子存在于多个地方。根据量子理论,在两点间运动的粒子在这之间所有路径上同时运动,这种状态被称为“叠加”。并不是我们不知道它的确切位置,而是它没有确切位置。相反,它有一个共存的可能位置的分布。换句话说,现实不是确定的,而是概率的。

这并不是量子理论带来的唯一难题。另一个令人困惑的概念是“量子纠缠”,在这种情况下,几个粒子表现出相同的物理值,并对其中一个粒子的变化同时作出反应,即使它们彼此相距很远。吉尔建议把它想象成抛两个硬币:任何学过统计学的人都知道,得到“正面”或“反面”的概率是独立的。但在量子模型中,如果硬币(也就是粒子)是缠绕在一起的,那么扔其中一个硬币会在另一个硬币中产生相同的结果。“爱因斯坦不相信缠绕,他讨厌这些表现形式。”吉尔笑着说。

影响结果的测量?现实不是绝对的,而是统计的?粒子即使在无限远处也能成为“双胞胎”粒子?很多人觉得这些想法听起来是令人困惑、难以理解以及违反直觉的。“接触量子理论而不感到震惊的人,都没有理解它。”物理学家尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)说。他与爱因斯坦是同时代人,也是死敌,因对该理论发展的贡献而获得诺贝尔奖(爱因斯坦对玻尔理论的解释持保留意见)。另一位因对量子理论的贡献而获得诺贝尔奖的物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)对此评论道:“如果你认为自己已经理解了量子理论,那你就没有。”

费曼也是量子计算之父:他想要模拟粒子的行为,但由于理论的概率性质,想要进行这种模拟的传统计算机需要大量计算,因此模拟变得不切实际。“费曼和其他物理学家一样,认为计算领域专注于数学,离自然太远了,物理学可以与信息世界联系得更紧密。”吉尔解释道,“在1981年的一次具有历史意义的演讲中,费曼声称,没有任何东西可以帮助传统计算机来处理粒子模拟,因为自然不是传统的。他说,‘如果我们想模拟自然,我们需要一台以量子方式像自然一样行动的机器。’”1998年,这一设想实现了,第一台量子计算机在英国牛津大学建成。

量子计算机利用量子理论那些我们还没有完全理解的特性来执行计算操作。在普通计算机中,信息的基本单位是“位”,它可以有两个值:0或1;使用这些比特可以执行任何可以想象到的计算——尽管其中一些计算可能需要很长时间。在量子计算机中,由于量子叠加,量子位代表的不是一个绝对值,而是值的分布。吉尔解释说:“你可以把它想象成一个多维度的问题:1和0只是两个端点,比如硬币的两极,但它也可以有侧向倾斜。”使用统计方法可以检查量子位的状态并获得有用的结果。这种概率方法并不适用于所有问题,但在解决某些问题时,它比传统计算机寻找绝对答案的效率要高得多。

“量子纠缠效应也有可能使量子位相互影响。”吉尔说。由于每个量子位代表了整个可能性域,每增加一个量子位,量子位之间可能的连接数量就会以指数级增长(另一方面,在传统计算机中,位的增加是线性的)。目前,IBM保持着量子位的纪录:去年,它发布了一款具有127个量子位的量子处理器。IBM声明其目标是今年推出一款具有433个量子位的处理器,明年推出一款具有1021个量子位的处理器。

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IBM的量子系统Quantum System One。“比外太空冷三摄氏度”

这个野心看起来很狂妄。事实证明,“建造一台像自然一样运转的机器”是一件非常复杂的事:量子位对外界影响非常敏感,这使得建造一台计算机非常复杂且代价昂贵。吉尔解释说:“量子计算机非常强大,但同时也非常微妙,它利用了自然界中发生的物理过程,但这种过程是相互联系、相互影响的一个系统,这也可能导致对结果的破坏:如果外部世界的能量进入内部,并连接到量子位,将使它们表现得像普通比特,从而失去量子计算的独特能力。因此,量子计算机必须与整个环境隔离。最大的挑战是建立一个与外界充分隔离,但又不过于隔离的系统。”

当我试图弄清建造一台量子计算机的成本是多少时(IBM已经建造了40台量子计算机),吉尔没有给出明确的答案,但讲述了一些建造的细节:“建造一台量子计算机有几种不同的方法,IBM选择了低温方法,即深度冷冻,并使用超导体。计算机的温度接近绝对零度:外壳底部的温度是零下273摄氏度——比外太空的温度低3摄氏度,比绝对零度高不到1摄氏度。温度应该接近绝对零度,但不能达到绝对零度,因为那样就没有任何运动,甚至原子也不会运动。”这个冷却和保护外壳的形状类似热水器,里面有一个计算单元,吉尔和他的团队给了它一个绰号“吊灯”。“在保护层内部有一个装有处理器的圆柱体。即使只有一小部分能量粒子进入计算机,从字面上看就是一个零头,它也足以破坏结果。”吉尔澄清说。

高灵敏度和由此产生的保护要求,意味着量子计算机相当笨重:在试图包含越来越多量子位的最新型号中,机箱已经达到了几米的高度。在某种程度上,它让人想起第一代传统电脑,看起来像巨大的橱柜。传统计算机越来越小,直到今天,我们把数百万倍的计算能力塞进一个简单的智能手机。但在量子计算机的发展中,我们不能期望类似的过程。“量子计算机需要独特的条件,不能在一个简单的终端设备产生,这一条件在可预见的未来不会改变。”吉尔解释说,“我相信量子计算将是一种我们可以远程访问的服务,就像我们今天访问云服务一样。它的工作原理将类似于IBM今天已经实现的功能:计算机与我们坐在一起,我们使它能够访问“大脑”并接收信息。自2016年以来,我们制造了40台计算机,现在有20台可供公众使用。全世界大约有50万用户已经使用了我们建造的量子计算机,大约有1000份相关科学出版物已经出版。”

谷歌和微软的竞赛正在白热化

IBM不是唯一一家参与量子计算竞赛的公司,但吉尔对自己领导这场竞赛的能力充满信心。根据他的说法,大多数竞争对手只拥有整个系统的一部分,但没有一台完整的计算机可以用来解决问题。谷歌是这场竞赛中强有力的竞争者,它还允许远程访问其量子计算服务——谷歌量子AI;微软也努力在其云平台Azure上提供类似的服务。

与此同时,量子计算是一个“纸上谈兵”的承诺。这场革命的理论基础早在40年前就已经奠定,第一个证据早在20多年前就提出了,整个行业在这个领域的讨论已持续好几年,但它还没有能服务于普通人。

“如果你回到20世纪40年代,当第一台计算机被发明出来,你会发现同样在那个时候,新发明的用途和优势也不清楚。那些看到第一代计算机的人说,‘哦,太好了,你可以用它在战争中破解加密机器的密码,甚至可能计算弹道导弹的路线,就是这样。谁会用它呢?没有人。同样,量子计算的成功将取决于它的用途:编程有多容易,用户群体有多大,人才数量有多少。量子革命将由一个团体领导,这就是为什么这个领域的教育如此重要:我们需要越来越多的聪明人开始思考‘我如何使用量子计算来推进我的领域’。”

“量子计算的民主化阶段开始了,这将允许任何人与计算机进行通信,而无需是该领域的高级程序员。这表明将有可能用1或0的经典语言编写一个问题或任务来使用它。”这就是为什么我们现在已经看到了更多量子计算能力的应用。

“也有很多初创公司并没有真正致力于建立量子计算机,而是专注于各个组成部分(例如,以色列公司Quantum Machines),它为量子计算机开发硬件和软件系统,去年7月被创新管理局(Innovation Authority)选中建立以色列量子计算中心(Israel Quantum Computing Center)。这些公司的活动创造了一个全新的生态系统,从而促进了该行业的发展,就像今天在传统计算机领域所发生的一样。IBM也不会只依靠自己:我们希望从这个领域的聪明人的创新中受益,当然也包括以色列。”

“我确信量子计算的大爆炸将在这十年发生。我们IBM的雄心是在未来三年内展示‘量子霸权’。我相信,人工智能的进步与量子计算相结合,将带来一场行业革命,就像英伟达在其市场上所做的那样(英伟达为游戏电脑开发了独特的处理器,这使它成为营收最快达到10亿美元的芯片公司)。量子计算可以在行业中产生巨大的价值。这是非常困难的,但我相信,我们将在这十年看到它的发展。”

诺奖为量子计算的发展打开了局面

几十年来,量子计算一直激发着研究人员的想象力,但直到现在,它都没有离开实验室的局限。然而,诺贝尔奖授予该领域的三位研究人员表明,这一愿景正在成为一场真正的革命。法国的阿兰·阿斯佩(Alain Aspect)、美国的约翰·克劳瑟(John Clauser)和奥地利的安东·泽林格(Anton Zeilinger)因他们自20世纪70年代以来分别进行的研究而获奖,他们研究了量子纠缠现象,证明了量子纠缠的存在,并为其技术应用铺平了道路。

诺贝尔奖授予量子纠缠研究人员,证明了量子计算不仅仅是一部分物理学家的脑力锻炼,对投资该领域发展的公司来说也是一个决定性的时刻。之所以做出这样的决定,是因为他们所处的世界发生了根本性的变化:近几十年来,计算界一直遵循“摩尔定律”,该定律预测计算机处理器中晶体管的密度每两年翻一番,以此提高这些芯片的计算能力。然而,随着半导体行业接近物理极限(超过这个极限就不可能在一个芯片上塞进更多的晶体管),开发量子计算机的需求变得迫切起来。

这些数字也预示着该领域正在发生的一些变化。在2020年,量子计算市场的规模还不到5亿美元。但在2021年底,研究公司IDC发布了一项研究预测,到2027年,该市场的规模将达到86亿美元,该领域的投资将达到160亿美元(相比之下,2020年为7亿美元,2021年为14亿美元)。IBM首席执行官阿温德·克里希纳(Arvind Krishna)最近也估计,到2027年,量子计算将成为一个真正的商业产业。

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(来源:彭拜新闻  编译:吴怡莎,2022年10月21日)

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