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量子计算机有多可怕 一秒破译全世界所有密码!

CJ人工智能 头条 智东西人工智能芯片系列报道 智东西系列报道2018/01/23

智东西(公众号:zhidxcom) 文 | CJ 导语:最近半年以来,人工智能的发展重心逐渐从云端向终端转移, […]

智东西(公众号:zhidxcom)
文 | CJ

导语:最近半年以来,人工智能的发展重心逐渐从云端向终端转移,相伴而生的是全新一代的计算芯片产业全面崛起。智东西历经数月,首次对包括AI芯片在内的新一代计算芯片全产业链上下近百间核心企业进行报道,覆盖国内外各大巨头玩家、新兴创企、场景应用、代工生产等,全面深入地对芯片产业发展、创新创业进行了追踪报道。此为智东西新一代计算芯片产业系列报道之一。

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CES2018上,英特尔keynote演讲甩出49量子比特(qubits)超导量子计算测试芯片“Tangle Lake”,震撼全场,在争夺量子霸权的路上,科技巨头激烈厮杀,那么量子计算的魅力究竟有多大,竟能引得谷歌、英特尔、IBM等科技巨头纷纷“折腰”进军呢?举个例子,目前世界最强的超级计算机是神威·太湖之光,运算速度是每秒9.3亿亿次;而一台50量子比特的运算速度将达到每秒1125亿亿次,瞬间秒杀世界最强超级计算机。智东西带你走进神秘而又充满传说的量子计算领域,看尽量子计算机这三十多年的发展历程。

一、量子计算是什么?

在经典计算机里,存储的信息单位是比特(bit),比特使用二进制,也就是说一个比特表示的不是“0”就是“1”。

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但是,在量子计算机里,情况会变得完全不同,量子计算机的信息单位是量子比特(qubit),量子比特可以表示“0”,也可以表示“1”,甚至还可以是“1”和“0”的叠加状态(superposition),即同时等于“0”和“1”,而这种状态在被观察时,会坍塌成为“0”或是“1”,也就变成了确定的值,其实也就和经典量子理论“薛定谔的猫”是一个道理(把一只猫放到一个不透明的特殊盒子中,在打开盒子前,这只猫既可能是死的,也可能是活的,打开后,两种可能性才坍塌到其中一种)。除此之外,两个量子比特还可以共享量子态,无论这两个量子比特离得多远,也就是所谓的“量子纠缠”(entanglement)。

量子比特的这种特性会带来什么好处呢?

理论上,2个量子比特的量子计算机每一步可以做到2的2次方,也就是4次运算,所以说,50量子比特的运算速度(2的50次方=1125亿亿次)将秒杀最强超级计算机(目前世界最强的超级计算机是神威·太湖之光,运算速度是每秒9.3亿亿次)。

说得再具体一点,拿《火影忍者》举例的话,那就是佐助是经典计算机,鸣人是量子计算机,要找一个东西,佐助只能自己一个一个地方跑去找,也许要找一年。

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但是鸣人可以分出5个影分身,然后5个影分身再分出5个影分身,分身的分身再分身,所有分身都同时去不同的地方,瞬间找到东西,然后分身收回,只剩一个鸣人,取回东西,完成。

虽说理论上来说,量子计算机计算能力惊人,但是量子计算机也存在致命的缺点,主要有两点,这也是量子计算机一直发展缓慢的主要原因,第一是非常不稳定,需要低温运行,第二是精度差,错误率高。

成也萧何败萧何,量子计算之所以能达到如此神速,就是因为量子比特的叠加状态和量子纠缠,但与此同时,量子叠加和纠缠状态是极度脆弱的,不能受到一丁点干扰,量子计算机必须在极度低温条件下工作,低到什么程度呢?零下273摄氏度差不多吧,这就好比拿一根很细很细的针顶起一个鸡蛋,稍有干扰,结果就会变得一片狼藉。

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其次,因为量子比特的不稳定性,量子计算的精度也存在问题,保真度(fidelity)不高。保真度是什么呢?打个不恰当的比方,就好像你拿100块钱去银行柜台存了又取,取了又存,来回几次,最后取回来的钱却只有60了,那保真度也就只有60%。

而且就算这些问题都可以得到解决,量子计算机对于处理日常任务并没有什么用处,对于普通人的生活影响不大。但在某些特殊领域里,量子计算机有传统计算机所不具有的能力,比如在化学和材料学里模拟分子结构,还有处理密码学、机器学习的一些问题,后文会详细说到,在此不赘述。

二、科技巨头混战,量子霸权到底是真是假?

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正因量子计算机有很多经典计算机所无法比拟的优点,目前谷歌、IBM、英特尔等科技巨头都已纷纷入局,抢夺高地。而这其中,“50量子比特”成为一个重要门槛。

2017年11月的《自然》杂志采访中,谷歌量子计算专家约翰·马丁尼(John Martinis)提出,当一台量子计算机具有大约50量子比特的时候,其计算能力和速度将超过世界上任何计算机,能解决经典计算机所解决不了的问题。

因此,业内也将达到50量子比特的计算机称为达到了“量子霸权/量子优越性(Quantum Supremacy)”,即50量子比特的量子计算机优于现在市面上的任何一台经典计算机。

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那我们到底离“量子霸权”还有多远呢?

一方面,科技巨头们都宣布了不少量子计算领域的技术突破,不少媒体也对此加以渲染,称他们离“量子霸权”只有一步之遥,而另一方面,客观来说这些巨头离达到量子霸权还很远。

实现量子霸权的方式,即做出能超越经典计算机的量子计算机的方式有很多种,包括单光子量子计算、超导量子计算等。

英特尔这个月交付的49量子比特(qubits)超导量子计算测试芯片“Tangle Lake”,这块芯片是英特尔与其学术界合作伙伴QuTech合作完成的,该款芯片是基于超导体,要求非常低的工作温度约-273摄氏度。尽管如此,英特尔还在研究基于更传统半导体的“自旋量子比特”。

据英特尔称,自旋量子比较像一个类似于传统晶体管的单电子晶体管。此外,英特尔还宣称已经开发出一种在300毫米硅晶片上制造自旋量子比特的工艺。虽然英特尔的这款量子芯片非常值得肯定,但是,做出量子芯片和做出量子计算机是有区别的,做出了50量子比特的量子芯片也不意味着能做出50量子比特的量子计算机,而且量子计算机的计算速度也不仅仅是由量子比特数目所决定,同时还应该要保证量子计算机的精度和保真度。

谷歌是最早进军量子计算机的公司之一,在2015年,谷歌约翰·马丁尼团队联合NASA和加州大学圣芭芭拉分校宣布实现了9个超导量子比特的高精度操纵,谷歌当时还宣称将要在2017年年底做成49量子比特量子计算机,不过很可惜,目前还没有关于此事的消息。

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2017年11月10日,IBM对外宣布,已经研发成功20量子比特的量子计算机,可在年底向付费用户开放,同时,IBM还成功开发了一台50量子比特的原型机,但是IBM Q研究副总裁达里·奥吉尔(Dario Gil)表示,量子比特数量增加只是一方面,处理的量子比特数越多,量子比特之间的交互就会越复杂,因此,50量子比特的原型机虽然有更多的量子比特,这些量子比特的叠加态、纠缠态也会造成错误率很高的结果,无法保证精度和保真度,所以它不见得会比5量子比特的计算机更实用、更强大。

除此之外,各个巨头还推出了一些量子计算机的开放平台,比如IBM在2017年推出了量子计算服务IBM Q系统(20量子比特量子计算云服务),这个系统的前身是IBM在2016年开放的Quantum Experience系统(5量子比特量子计算云服务),这两个系统可以提供给用户试用IBM公司所造的5量子比特和20量子比特的量子计算机。除了IBM,微软也在2017年12月推出了自己的量子计算机开发包(Quantum Development Kit),可以让用户在其开放平台上,用专用量子计算机编程语言Q#进行编程。

除了科技巨头的参与,初创公司的表现也非常亮眼,在2011年,加拿大初创公司D-Wave推出了具有128个量子比特的D-Wave One型量子计算机,这个初创公司吸引了很多人的眼球,它使用的是“量子退火”算法(Quantum Annealing),但是,D-Wave One到底算不算真正的量子计算机还存在争论,因为,虽然这种算法确实实现了量子比特,但是量子比特之间基本没有量子纠缠,所以严格来说不能算真正的量子计算机。不过,这款量子计算机确实在一些领域可以超越经典计算机。

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国外巨头和初创都在争分夺秒的研发量子计算机,同时,国内大佬也坐不住了,在2015年的时候,中科院宣布与阿里巴巴旗下阿里云共同成立量子计算实验室,并于2017年5月宣布造出第一台光量子计算机。中科院和阿里的这个光量子计算机,实现的是10量子比特。

总的来说,真正的“量子霸权”不仅仅是光看量子比特数的竞赛,就算做到1000量子比特,无法做到系统的可控性和可靠性,也算不得是量子霸权,这也是为什么2015年时,谷歌实现9个超导量子比特的高精度操纵就足以让全世界惊叹。

三、量子计算理论和技术的发展历程

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了解了量子计算机领域激烈的巨头混战,那么量子计算理论的发展又是怎么样的呢?

量子计算理论从首次提出到现在已经有三十多年,在1981年时,诺贝尔奖获得者理查德·费曼(Richard Feynman)首次提出量子计算机的概念。

1994年,贝尔实验室的专家彼得·秀尔(Peter Shor)证明量子计算机能完成对数运算,而且速度远胜传统计算机,这也是在量子计算理论提出十多年后的第一次实验。

自此,投资者开始发现量子计算机的可行性,也许量子计算机未必会有那么多运算错误,也许可以尝试造出一台处于稳定状态的量子计算机。

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随后的十几年,无数的资金进入量子计算研究领域,量子计算迎来了很多技术研究进展:D-Wave的量子退火、英特尔的硅量子点等等,这些研究成果都各有优缺点,但是都还没有解决最根本的问题。现在主要的技术难点在于精确的实现量子比特的调控、两两之间的纠缠、维持它们的量子状态等,也就是系统的可控性和可靠性。

技术上的瓶颈并没有得到很好地突破,但是科技巨头们依然在量子计算这条路上你追我赶,为什么呢?主要原因在于现有的芯片线程越来越小(纳米级),量子力学现象会成为计算机的Bug,这个Bug具体来说是这样的,计算机里面有很多晶体管,晶体管像一个开关控制电子进程,但是未来的元件做到纳米级后,比如纳米级的晶体管,那这个开关可能会失效,因为根据量子力学,电子可以直接通过纳米级晶体管,到了那个时候,这就会是经典计算机无法解决的大Bug。

另一方面,因为经典计算机已经快要达到它的极限,其芯片越来越小,芯片的元件小到只有原子大小, 而且就算达到极限,经典计算机也解决不了未来可能会出现的许多问题。比如,优化问题,也就是从无数种可能性中找出最优的解决方法,经典计算机只能一个一个的去找,但是量子计算机可以并行运算,毫不夸张的说,经典计算机可能要算一年,量子计算机只用一分钟就能搞定。

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还有就是经典计算机在化学问题、生物问题上的无力。IBM实验量子计算团队经理——Jerry Chow曾在TED演讲上举过一个生动的例子,一个咖啡因分子,不如水分子简单,但也没有DNA或是蛋白质分子复杂,如果我们要用经典计算机来模拟一个咖啡因分子,世界上现有的任何电脑都不行,就算你做再多晶体管,做一个和地球一样大的计算机,或者一个和太阳系一样大的计算机,甚至是和银河系一样的计算机,都没办法模拟一个咖啡因分子,然而量子计算机却可以做到。

总而言之,在经典计算架构发展瓶颈日益凸显的当下,量子计算机被认为是计算领域最受看好的方向之一。

不过这个未来什么时候才能来,谁都不清楚,也许十年以内不会到来,根据英特尔实验室公司副总裁兼总经理迈克·梅伯里(Mike Mayberry)的说法:“我们预计这个行业将需要五到七年的时间才能解决工程规模问题,并且可能需要100万或更多的量子比特才能达到商业目的。研究人员仍然需要弄清楚如何解决一些问题,包括纠正单个量子比特的脆弱量子态,将软件算法映射到量子硬件,建立局部控制电子学来控制量子系统并得到结果”。

结语、量子计算机将重造整个世界

量子计算之所以如此重要,除了因为它“快”,还因为它可以重新定义程序和算法,颠覆众多领域,例如:

军事方面,一切现有的密码学全都要被重新改写,因为用量子计算机能轻易破译所有密码;医学方面,量子计算机可以模拟人体内的各种化学分子,建立起医学模拟的新模型;此外还有气象学、材料科学等种种领域都面临着量子计算的颠覆。

不过,目前我们离真正的量子计算机还有距离,现在,量子计算机还只是非常初步的阶段,量子比特的脆弱、不稳定性还有低精度的问题还没有解决,要实现实用量子计算机还有很长的路要走。

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