當(dāng)量子計(jì)算遇上人工智能

劉艷

谷歌、IBM、英特爾、微軟等科技巨頭不斷高調(diào)大秀量子計(jì)算“技術(shù)肌肉”的行為，讓全球?qū)α孔佑?jì)算的追逐更加白熱化，這其中，中國(guó)相關(guān)企業(yè)、機(jī)構(gòu)“搶灘”量子計(jì)算的身影沖在前面。

3月29日，微軟研究人員宣布其量子計(jì)算取得重大突破，他們發(fā)現(xiàn)天使粒子——馬約拉納費(fèi)米子存在的有力證據(jù)：在特殊制備的導(dǎo)線中，將電子分為兩半。如果微軟希望建造一臺(tái)能工作的量子計(jì)算機(jī)，這將是至關(guān)重要的。日前，谷歌推出72個(gè)量子比特的通用量子計(jì)算機(jī)Bristlecone時(shí)，宣稱已擁有“量子霸權(quán)”；同日，百度宣布在五年時(shí)間里組建世界一流的量子計(jì)算研究所，并將把量子計(jì)算逐漸融入到業(yè)務(wù)中，自此，阿里巴巴、騰訊、百度全部入局量子計(jì)算。

圍繞量子計(jì)算 科技巨頭將有“十年競(jìng)賽”

曾經(jīng)，量子物理學(xué)和人工智能（主要指神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)）這兩門學(xué)科被看作“油和水一樣無(wú)法結(jié)合”。如今，人工智能已被學(xué)術(shù)界和科技巨頭視為量子計(jì)算的重要著力點(diǎn)。

量子計(jì)算有很多引人瘋狂之處，簡(jiǎn)單說(shuō)，它將使人類的計(jì)算能力、處理大數(shù)據(jù)的能力，得以成千上萬(wàn)乃至破億次的提升。

這是什么概念？業(yè)界常用一個(gè)例子回答這個(gè)問(wèn)題：“用當(dāng)前最大、最好的超級(jí)計(jì)算機(jī)破解一個(gè)常用的RSA密碼系統(tǒng)，需要60萬(wàn)年，但用一個(gè)有相當(dāng)儲(chǔ)存能力的量子計(jì)算機(jī)，只需不到3個(gè)小時(shí)。”

微軟亞洲研究院資深研究員陳衛(wèi)說(shuō)：“最快的計(jì)算機(jī)要算百萬(wàn)年、千萬(wàn)年的東西，可能量子計(jì)算機(jī)幾秒鐘、幾分鐘就能算完。”這讓傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在量子計(jì)算機(jī)面前弱到就像個(gè)算盤，也是追逐計(jì)算力提升至瘋魔的科技巨頭迷戀量子計(jì)算的原因之一。

雖然路徑不同，但科技巨頭都在努力開(kāi)發(fā)擁有足夠高精確度的有效量子位（量子計(jì)算的構(gòu)建塊），以便真正可行的量子計(jì)算機(jī)能夠面世。

英特爾正在研究多種量子位類型，其中包括在很多方面都與傳統(tǒng)晶體管非常接近的自旋量子位，這使量子計(jì)算機(jī)有可能通過(guò)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相近的制程來(lái)制造。英特爾公司副總裁兼英特爾研究院院長(zhǎng)邁克爾·梅伯里說(shuō)：“我們的量子研究已發(fā)展到基于領(lǐng)先的制程工藝。”

微軟投入量子計(jì)算研究已超過(guò)12年，雖然他們很少透露研究進(jìn)展，但拓?fù)淞孔游坏难芯渴潜容^明確的信息。微軟研究人員認(rèn)為，與其他量子系統(tǒng)相比，拓?fù)淞孔佑?jì)算系統(tǒng)能用更少的量子位執(zhí)行比常規(guī)計(jì)算機(jī)大幾個(gè)數(shù)量級(jí)的運(yùn)算。并且，拓?fù)淞孔游坏募m錯(cuò)過(guò)程直接建立在量子位的物理機(jī)制中，這使得規(guī)模擴(kuò)展和提供可靠結(jié)果變得更加容易。

從去年11月IBM發(fā)布50量子比特的量子計(jì)算云平臺(tái)，到現(xiàn)在谷歌又將能力提升到72量子比特，電子計(jì)算機(jī)飛躍到量子計(jì)算機(jī)似乎已指日可待。

但是，與當(dāng)前流行的“五年預(yù)測(cè)”不同，邁克爾·梅伯里表示，我們還處于“玩具系統(tǒng)”時(shí)代。在真正可行的技術(shù)出現(xiàn)之前，大型科技公司之間將有一場(chǎng)“十年的競(jìng)賽”。

當(dāng)前最大挑戰(zhàn) 如何讓量子位統(tǒng)一、穩(wěn)定

盡管取得了很多實(shí)驗(yàn)性的成果與推論，但大家都心知肚明，構(gòu)建能夠保證精準(zhǔn)輸出的、可行的、大規(guī)模的量子系統(tǒng)仍然存在很多挑戰(zhàn)，若要量子計(jì)算真正發(fā)揮巨大潛力，還要克服許多基礎(chǔ)性的難題。

雖然量子計(jì)算未來(lái)或能攻克傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的無(wú)解難題，但如何讓量子位統(tǒng)一和穩(wěn)定是當(dāng)前最大的挑戰(zhàn)。

量子位“脆弱而挑剔”，任何噪聲、甚至無(wú)意的觀測(cè)都會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，它們需要在非常低的溫度下儲(chǔ)存，否則可能會(huì)受到干擾和破壞。

溫度有多低？比外太空還要冷250倍。即使微軟的拓?fù)淞孔游活A(yù)計(jì)比一般的量子位更強(qiáng)健，它也同樣脆弱，脫離不了極度寒冷的保護(hù)。

邁克爾·梅伯里說(shuō)：“盡管傳統(tǒng)計(jì)算用盡洪荒之力幾十年才能解決的數(shù)據(jù)問(wèn)題，量子計(jì)算可能只需要1秒就能搞定，但是，創(chuàng)建一個(gè)控制得很好的環(huán)境是前提。”

今年CES展期間，英特爾向它的研發(fā)伙伴QuTech交付的49量子比特量子計(jì)算測(cè)試芯片，只有5厘米左右大小，但為了讓量子位保持極低溫度的儀器卻相當(dāng)龐大，整個(gè)場(chǎng)景看上去就像科幻電影中膠囊正在孵化機(jī)器人。

盡管微軟量子團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人托德·霍姆達(dá)爾說(shuō)：“我們有機(jī)會(huì)解決一系列以前無(wú)法解決的問(wèn)題。”但除了讓量子位在更長(zhǎng)的時(shí)間里保持量子態(tài)以外，這種極端的操作環(huán)境下，如何設(shè)計(jì)可工作的電子控制系統(tǒng)，如何解決量子位封裝？在這些問(wèn)題被解決之前，量子計(jì)算機(jī)走向應(yīng)用市場(chǎng)非常困難。

與此同時(shí)，大多數(shù)構(gòu)建量子位的方法都需要大量糾錯(cuò)，或確保信息可靠傳輸，微軟的“有效操縱”研究因?yàn)橹敝噶孔佑?jì)算的這個(gè)瓶頸，與谷歌剛剛宣布的72個(gè)量子比特計(jì)算機(jī)并稱為今年最重要的科技創(chuàng)新。

只是，量子計(jì)算是一個(gè)系統(tǒng)工程，即使微軟等的研究獲得突破，將純物理學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)相結(jié)合，將實(shí)驗(yàn)觀念轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品難以一蹴而就。量子計(jì)算機(jī)的建立及實(shí)際應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。

與人工智能結(jié)合 有望催生重大進(jìn)步

盡管仍有很多不確定性，但從谷歌、微軟、IBM等科技巨頭拼命往量子機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域砸錢的舉動(dòng)看，量子計(jì)算和人工智能的結(jié)合已是未來(lái)科技的最大熱門。業(yè)界已經(jīng)統(tǒng)一了思想：量子計(jì)算能夠在許多領(lǐng)域起到重要作用，不僅有助于應(yīng)對(duì)最棘手的全球糧食短缺或氣候變化等挑戰(zhàn)，更有望催生人工智能等領(lǐng)域的重大進(jìn)步。

微軟量子計(jì)算研究員內(nèi)森·維貝說(shuō)：“如果有一個(gè)足夠大、足夠快的量子計(jì)算機(jī)，我們可以徹底改變機(jī)器學(xué)習(xí)的各個(gè)領(lǐng)域。”

事實(shí)上，微軟的拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)最早的用途之一就是幫助人工智能研究人員利用機(jī)器學(xué)習(xí)，加快訓(xùn)練算法。比如，把人工智能助理小娜的算法訓(xùn)練時(shí)間從一個(gè)月縮短到一天。

從這點(diǎn)上看，量子計(jì)算就像人工智能的協(xié)助處理器，非常適合機(jī)器的深度學(xué)習(xí)。不僅如此，通常人工智能中的代碼是靜態(tài)的，即使結(jié)果錯(cuò)誤，普通算法也不會(huì)自行修改。但是，量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠自動(dòng)設(shè)定程序，自行修改代碼，并通過(guò)不斷學(xué)習(xí)來(lái)處理之前從未遇到的新數(shù)據(jù)。

中粵金橋投資合伙人羅浩元說(shuō)：“計(jì)算能力是人工智能的根本動(dòng)力與核心資源，但是，隨著人工智能的發(fā)展，越來(lái)越多的數(shù)據(jù)需要被計(jì)算，硬件堆砌已無(wú)法滿足更強(qiáng)的計(jì)算能力需求。并且，量子計(jì)算系統(tǒng)不僅能處理海量數(shù)據(jù)，也具備自我學(xué)習(xí)和自我更正的能力。從這些角度看，在量子計(jì)算助力下的人工智能時(shí)代，將顛覆我們?cè)?jīng)最激進(jìn)的想象。”

量子計(jì)算與人工智能的結(jié)合機(jī)會(huì)已如此明顯而重要，中國(guó)的實(shí)力如何？

羅浩元認(rèn)為：“無(wú)論是科技界還是企業(yè)界，我們已由‘觀測(cè)邁入‘調(diào)控。在人工智能領(lǐng)域，中國(guó)雖然起步晚，但人才、企業(yè)數(shù)量及研究實(shí)力等并不遜于歐美國(guó)家。在量子計(jì)算領(lǐng)域，中國(guó)在前期已經(jīng)打下了很好的基礎(chǔ)，并開(kāi)始了對(duì)量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)。”