展望下一代超級計算機

盡管各國最強大的AI開發競賽是許多媒體的關注焦點，但一場同樣重要的競賽卻持續升溫，就是打造第一台量子計算機。

随着該領域呈現井噴式發展态勢，2018年應該有一連串的突破。當量子計算機針對任何類别的問題都明顯優于經典超級計算機時，這就是所謂的“量子霸權（Quantum Supremacy）”[1]的競賽。

AI前線：量子霸權（Quantum Supremacy）是加州理工學院量子理論學家John Preskill于2012年發明的名詞，用于表示在存儲和通信帶寬呈指數級增加後，量子計算機擁有傳統超級計算機所不具備的能力。量子霸權的之争，不僅僅是技術之争，更是國運之争。

量子計算的兩位領袖Google和IBM已經制定這一目标的計劃。Intel也是一匹黑馬，前不久在Las Vegas舉辦的CES 2018展會上推出了為量子計算研究而設計的49量子位的測試晶片[2]。

這是一筆巨大的賭注。量子計算機承諾為一些最困難的數學和計算問題建立新的計算範例。例如，分析多個基因在健康結果中的互相作用；模拟化學物質的能量狀态，并預測原子粒子的行為。它們還可能通過快速破解用于保護IT基礎設施和網絡的現代密碼學，使網際網路變得不那麼安全。

AI前線：量子計算在這些方面現在還沒有什麼實際應用，原因是現在通用性的量子計算實作上還有很多困難。

有一點是可以肯定的：量子計算的時代即将來臨，世界将永遠不會重複。

簡而言之，量子計算機使用稱為“量子位（qubit）”[3]的計算機關。雖然普通的半導體表示資訊是一系列的1和0，而量子位表現出量子特性，同時可以計算1和0。這意味着兩個量子位可以在同一時刻代表1-0、1-1、0-1、0-0的順序。該計算能力随着量子位的增加而呈現指數級提高。理論上來說，量子計算機如果隻有50個量子位，也比今天地球上最強大的超級計算機擁有更強的計算能力。

AI前線：量子計算的基本原理是，量子位可以制備在兩個邏輯态0和1的相幹疊加态，也就是說它可以同時存儲0和1.考慮一個N個實體位的存儲器，若為經典存儲器，則隻能存儲 個可能資料當中的任一個；若為量子存儲器，則可同時存儲個數，且随着N的增加，其存儲資訊的能力将指數上升。例如，一個250量子位的存儲器，可能存儲的數就高達，比現有已知的宇宙中全部原子數目還要多。由于數學操作可同時對存儲器中全部的資料進行，是以，量子計算機在實施一次的運算中，可以同時對個輸入數進行數學運算，效果相當于經典計算機要重複實施次操作，或者采用個不同處理器實行并行操作。

摩爾定律[4]指出，每機關的計算能力每過18個月就會翻一番，而每計算機關的價格将下降一半。雖然摩爾定律在很大程度上是正确的，但是現在要擠出這些改進，所需要的資金比過去要大得多。換言之，半導體公司和研發人員需在研發上投入與日俱增的資金，才能實作每一次的飛躍。另一方面，量子計算的發展也是一日千裡。

一家名為“D-Wave Systems”的公司正在銷售一種量子計算機，據稱有2000個量子位。但D-Wave計算機卻飽受争議，盡管研究人員發現D-Wave計算機的良好用途，但這些量子計算機并沒有擊敗傳統的經典計算機，它隻對某些類型的問題（如優化問題）有用。優化問題涉及從所有可行的解決方案找出最佳解決方案。是以，例如具有多個可行結果的複雜模拟問題可能并不容易使用D-Wave計算來解決。鑒于D-Wave計算機進行量子計算的方式，人們也不認為它是建構真正的超級計算機殺手的最有希望的方法。

AI前線： D-Wave這種量子計算并非嚴格意義上的通用量子計算機。但是它證明了D-Wave所用的量子算法也是通用的。

Google、IBM和一些初創公司正在研究量子計算機，這些量子計算機因為要解決更廣泛的問題，是以它們承諾會更加靈活，更加強大。幾年前，這些有2~4個量子位的靈活的機器很常見。在過去一年裡，這些公司宣布了更強大的量子計算機。2017年11月，IBM宣布[5]建立了使用50個量子位的量子計算機，打破了此前科學家們所認為的量子計算機超越傳統超級計算機的臨界點。

它有什麼不足之處麼？IBM那台機器一次隻能維持90微秒的量子計算狀态。事實上，這種不穩定性，就是量子計算的緻命傷，這些機器必須經過超級冷卻才能工作，鑒于早期系統的不穩定性，需運作一組單獨的計算來糾正計算錯誤。也就是說，科學家們正在對這種不穩定的問題進行快速改進，希望在5年之内，量子計算機能夠在室溫下運作。

AI前線：因為量子運算的相幹特性，是以來說接近絕對零度的時候計算準确性才能保證。溫度越高運算錯誤率越高。

量子計算和人工智能的融合看上去很有希望。正如我們所看到的大規模人工智能的第一個重大影響時，我們也意識到，經典的基于半導體的計算限制了我們希望人工智能可以解決的最大問題的能力。他們将希望寄予量子計算機在脫離超低溫環境之前就可以進行有用的計算。

AI前線：人工智能核心資源是計算能力，量子人工智能的計算能力為人工智能發展提供革命性的工具，能夠指數加速學習能力和速度，輕松應對大資料資料的挑戰。Google已建立聯通管制人工智能實驗室，Microsoft等公司也在做一些人工智能方面的東西。在大資料方面，量子人工智能計算能力有巨大的優勢，進而實作彎道超車。

量子計算有望進入這一突破口，為解決這些重大挑戰提供所需的能量。精确的靶向醫療、更便宜的能源生産以及新型超強材料，都是量子計算所能實作的突破。通過在一個相對小型化的封裝上同時進行數十億的計算。Google的研究人員通過使用量子計算來模拟氫分子的電子結構展示了這一承諾[6]，這是将化學設計從經驗測量和有經驗的猜測轉向更合适的工程和模拟的關鍵步驟。（這也适用于藥物發現。）

量子計算的危險也是真實存在的[7]。量子計算機将能夠很容易地破解目前所使用的大多數加密形式（盡管安全專家已經開始着手建立不能被量子位攻擊破解的代碼）。如果俄羅斯或中國取得量子計算的統治地位，他們就有可能利用自己的優勢進行更複雜的黑客攻擊和解密編碼通訊，這完全是有可能的。

政府、大公司、初創公司和大學實驗室之間，最聰明的工程師都在争奪量子霸權。這确實可能會改變全球的力量平衡。

原文釋出時間為：2018年2月2日

本文作者：劉志勇

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