第12期 2020/09/15
IBM客戶帶來的啟示：立足當(dāng)下建立量子計(jì)算戰(zhàn)略，真的很重要
Bob Sutor，IBM公司量子生態(tài)系統(tǒng)開發(fā)副總裁
科技發(fā)展日新月異。如今，科學(xué)家們已經(jīng)在開發(fā)作為下一代計(jì)算方案的量子計(jì)算技術(shù)。過去一年以來，我有幸與IBM公司量子生態(tài)系統(tǒng)開發(fā)副總裁Bob Sutor進(jìn)行多次對(duì)話，探討量子計(jì)算領(lǐng)域的種種最新動(dòng)態(tài)。雖然量子計(jì)算尚未被大多數(shù)人所熟知，但Sutor認(rèn)為這項(xiàng)概念本身并不算什么新鮮事物。事實(shí)上，量子計(jì)算的起源可以追溯到二十世紀(jì)初與量子力學(xué)的誕生時(shí)刻。
量子計(jì)算的實(shí)質(zhì)，在于使用疊加、糾纏與干涉等量子力學(xué)概念實(shí)現(xiàn)計(jì)算能力。但對(duì)于很多不太了解物理學(xué)知識(shí)的朋友，這些術(shù)語確實(shí)令人感到頭痛。面對(duì)這個(gè)現(xiàn)實(shí)問題，Sutor給出了簡(jiǎn)單易懂的解讀方式。
Sutor將整個(gè)計(jì)算領(lǐng)域分成兩大陣營，即經(jīng)典陣營與量子陣營，并分別對(duì)二者做出簡(jiǎn)單描述。經(jīng)典陣營的產(chǎn)物就是我們目前正在使用的一切，包括處理器、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器、大型機(jī)以及高性能計(jì)算等等。但是，我們?yōu)槭裁匆_發(fā)量子技術(shù)？量子技術(shù)又有何重要意義？
Sutor提到，經(jīng)典計(jì)算機(jī)面對(duì)著一系列其永遠(yuǎn)無法解決的問題。在處理這類問題時(shí)，經(jīng)典計(jì)算架構(gòu)往往需要消耗幾乎無窮無盡的資源。為此，IBM及其他企業(yè)正努力開發(fā)出一種能夠突破這些限制的全型計(jì)算體系。
為什么量子計(jì)算機(jī)尚未真正實(shí)現(xiàn)？
向量子計(jì)算的轉(zhuǎn)變，要求我們構(gòu)建前所未有的硬件、軟件、物理機(jī)箱甚至是編程模型。量子計(jì)算機(jī)的基本單元為qubit，即量子比特。與經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的0或1二進(jìn)制設(shè)計(jì)不同，量子比特所能呈現(xiàn)的狀態(tài)更為復(fù)雜。簡(jiǎn)單來講，以往的計(jì)算設(shè)備是種非此即彼的簡(jiǎn)單體系，類似于只有兩面的硬幣。硬幣落下，總歸只會(huì)出現(xiàn)正面或反面這兩種情況。但在落地之前，硬幣的不斷旋轉(zhuǎn)狀態(tài)則代表著既不是正面、也不是反面的另一種新狀態(tài)——也可以說既是正面、又是反面。量子計(jì)算機(jī)中的量子比特正是如此，其狀態(tài)可以為0、可以為1，也可以是0與1的疊加。這種狀態(tài)靈活度，給我們的計(jì)算架構(gòu)設(shè)計(jì)開辟出前所未有的新維度。
如果再加入糾纏這一概念（即彼此糾纏的量子比特，將使各方的行為具有相互關(guān)聯(lián)性），則意味著每增加一個(gè)新的量子比特，則量子計(jì)算能力也將隨之加倍。例如，系統(tǒng)中的量子比特可以從2到4、再到8乃至16，而計(jì)算能力也將隨之呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)——正是這種特性，使得量子計(jì)算機(jī)非常適合解決高度復(fù)雜的計(jì)算問題。
挑戰(zhàn)仍然存在
在理想情況下，我們可以直接創(chuàng)建一個(gè)量子比特、添加其他量子比特，并對(duì)各量子比特應(yīng)用操作（指令集）以獲得所需的結(jié)果。但實(shí)際情況顯然不可能這么簡(jiǎn)單。正如《科學(xué)計(jì)算機(jī)》雜志所言，“量子計(jì)算機(jī)的工程設(shè)計(jì)、制造與編程難度極大。結(jié)果就是，量子計(jì)算機(jī)往往受到噪聲、故障與量子相干性損失等因素的嚴(yán)重影響，很難獲得持續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)作效果。事實(shí)上，既然是最簡(jiǎn)單的程序，都很難正常運(yùn)行直到結(jié)束。”
量子比特對(duì)于熱量及各類外界干擾非常敏感。由于熱量會(huì)產(chǎn)生計(jì)算錯(cuò)誤，因此只能將量子比特保存在超低溫環(huán)境下。例如，IBM量子計(jì)算機(jī)位于溫度低至0.015開爾文的室內(nèi)，而我們的正常室溫一般為2.7開爾文。
噪聲也有可能導(dǎo)致錯(cuò)誤，進(jìn)而影響計(jì)算結(jié)果。其中部分錯(cuò)誤可能源自極為微小的制造工藝缺陷；這時(shí)一旦向量子比特施加過高能量，又會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致其他錯(cuò)誤。為此，量子計(jì)算的物理結(jié)構(gòu)必須盡可能消除現(xiàn)實(shí)世界中的額外噪聲。IBM公司在《自然》雜志上發(fā)表的論文中，就明確探討了一種“以噪制噪”的智能化噪聲消除解決方案。
重要的是質(zhì)量，而非數(shù)量
與上一世代的處理大戰(zhàn)一樣，不熟悉量子計(jì)算基本原理的朋友很容易陷入量子比特越多越好、發(fā)布的量子系統(tǒng)比特?cái)?shù)越高則相關(guān)廠商技術(shù)越先進(jìn)的認(rèn)識(shí)誤區(qū)。量子計(jì)算的核心并不在于一臺(tái)計(jì)算機(jī)能夠支持多少個(gè)量子比特，而是其中高質(zhì)量的量子比特是多少。一套強(qiáng)大的量子系統(tǒng)需要在器件層級(jí)抓起，由科學(xué)家與工程師為設(shè)備構(gòu)建量子比特，努力讓各個(gè)量子比特中的錯(cuò)誤幾率最小化，同時(shí)優(yōu)化其與其他量子比特之間的連接方式。正如使用質(zhì)量較差的HDMI線纜會(huì)使電視無法獲得清晰的圖像，量子也是如此——系統(tǒng)中的任何一個(gè)環(huán)節(jié)，都有可能對(duì)最終質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。
由于量子計(jì)算與經(jīng)典計(jì)算有著上述重大區(qū)別，因此量子比特的質(zhì)量測(cè)定也必須采用全新的標(biāo)準(zhǔn)。Sutor解釋道，IBM公司使用一種名為量子體積（QV）的度量標(biāo)準(zhǔn)以衡量量子計(jì)算機(jī)的實(shí)際效能。QV方法對(duì)系統(tǒng)當(dāng)中以高性能方式實(shí)現(xiàn)的最大隨機(jī)電路寬度與深度做出量化。與之對(duì)應(yīng)，具備高保真操作能力、高連接性、大型校準(zhǔn)門組與電路重寫軟件工具鏈的量子計(jì)算系統(tǒng)，將獲得更高的QV核定量。撇開技術(shù)術(shù)語，這里強(qiáng)調(diào)的是將對(duì)量子系統(tǒng)質(zhì)量的討論，從單純的量子比特?cái)?shù)據(jù)升級(jí)到系統(tǒng)間彼此交互（連接）的穩(wěn)定量子比特的數(shù)量（即相干性）層面。
鑒于量子計(jì)算行業(yè)尚處于起步階段，參與各方對(duì)于量子計(jì)算機(jī)性能的最佳衡量方法也有著自己的理解與堅(jiān)持。雖然目前我們還無法評(píng)價(jià)到底哪種方法是真正的“最佳”，但供應(yīng)商必須能夠提供一套框架，幫助買方了解體現(xiàn)性能的屬性以及衡量性能的不同可行方式。目前，Honeywell等廠商也已經(jīng)開始使用量子體積以說明系統(tǒng)的實(shí)際性能。
量子計(jì)算的時(shí)代會(huì)很快到來嗎？
目前，業(yè)界普遍認(rèn)為量子計(jì)算的全面實(shí)現(xiàn)仍有很長(zhǎng)的路要走。沒錯(cuò)，量子計(jì)算確實(shí)很難在短期內(nèi)取得實(shí)質(zhì)性突破。但是，每六個(gè)月量子計(jì)算都會(huì)迎來一輪巨大進(jìn)步。就在上周，IBM公司宣布已經(jīng)結(jié)合一系列新的軟件與硬件技術(shù)以提高整體性能。通過對(duì)客戶已經(jīng)實(shí)際部署的27量子比特系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，目前其QV值已經(jīng)達(dá)到64。
企業(yè)巨頭們正在紛紛投資量子計(jì)算
以IBM、谷歌以及英特爾為代表的各大企業(yè)都在投入時(shí)間與資金，構(gòu)建更強(qiáng)大的量子系統(tǒng)與相應(yīng)編程軟件。但作為一項(xiàng)重要的應(yīng)用型技術(shù)，真正的突破不可能出現(xiàn)在真空當(dāng)中——換言之，量子計(jì)算的最大價(jià)值體現(xiàn)在技術(shù)供應(yīng)商與客戶合作解決實(shí)際問題當(dāng)中。IBM目前提供Quantum Experience，并有計(jì)劃推出其商用版本IBM Q Network，供企業(yè)客戶使用IBM的最新技術(shù)為自身的未來業(yè)務(wù)戰(zhàn)略提供支持。
例如，戴姆勒公司就與IBM合作研究化學(xué)與材料科學(xué)，希望探索量子算法能否為戴姆勒的新型電池設(shè)計(jì)提供支持。IBM與Exxon也在研究量子計(jì)算如何改善預(yù)測(cè)性環(huán)境建模，包括支持Exxon發(fā)現(xiàn)更多新型材料以提高碳捕捉效率。與此同時(shí)，摩根大通也在與IBM合作研究金融建模與風(fēng)險(xiǎn)管理方法。
量子優(yōu)勢(shì)與量子霸權(quán)
關(guān)注量子計(jì)算行業(yè)發(fā)展的朋友，肯定聽說過“量子霸權(quán)”這一表述——即量子計(jì)算機(jī)在功能上，足以完成經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)根本無法獨(dú)立實(shí)現(xiàn)的計(jì)算任務(wù)。Sutor談到，相較于量子霸權(quán)，量子優(yōu)勢(shì)才是真正重要的關(guān)注方向。量子優(yōu)勢(shì)指的是與獨(dú)立使用傳統(tǒng)計(jì)算相比，量子計(jì)算機(jī)能夠更高效地執(zhí)行特定計(jì)算任務(wù)（將處理速度提高數(shù)百甚至是數(shù)千倍），或者顯著降低計(jì)算成本，從而實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典計(jì)算方式的組合優(yōu)勢(shì)。雖然量子計(jì)算不一定適用于所有類型的問題，但至少能夠在某些方面帶來優(yōu)異表現(xiàn)。他認(rèn)為，量子優(yōu)勢(shì)是個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的目標(biāo)，有望在未來十年之內(nèi)得以實(shí)現(xiàn)。
Sutor還指出，量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)難度，絕不僅僅體現(xiàn)在制造量子比特身上。科學(xué)、實(shí)驗(yàn)物理以及工程學(xué)都需要就此實(shí)現(xiàn)重大突破。例如，科學(xué)家們必須改善量子電路以實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)勢(shì)。Sutor預(yù)計(jì)，未來三到五年之內(nèi)，將會(huì)出現(xiàn)量子優(yōu)勢(shì)的早期實(shí)現(xiàn)案例。而這種量子優(yōu)勢(shì)的發(fā)展愿景，必然需要硬件、軟件與算法系統(tǒng)的共同支撐。
給組織們的量子計(jì)算建議
量子科技之所以令人振奮，是因?yàn)樗仁谷藗兎艞壨瓿筛黝愑?jì)算任務(wù)的傳統(tǒng)觀念，以全新視角看待一切。而這種拋開陳舊事物、進(jìn)行突破性思考的能力，也將成為決定企業(yè)未來數(shù)字化旅程終極高度的重要因素。與其他IT項(xiàng)目一樣，大家也需要為量子計(jì)算選擇一位先鋒、一位帶頭人，由其負(fù)責(zé)在組織之內(nèi)探索、試驗(yàn)并推廣量子技術(shù)。
量子計(jì)算不是那種隨處可見、給錢就買的東西。作為一項(xiàng)新興技術(shù)，量子計(jì)算距離廣泛的商業(yè)應(yīng)用至少還有五年時(shí)間，也許還會(huì)更久。但立足當(dāng)下，組織應(yīng)該盡快開始進(jìn)行量子計(jì)算培訓(xùn)，并指定能夠?qū)釉贫肆孔佑?jì)算服務(wù)的實(shí)際項(xiàng)目。
越早采取行動(dòng)，您的組織就越有機(jī)會(huì)在材料科學(xué)與人工智能等領(lǐng)域取得突破。業(yè)界已經(jīng)行動(dòng)起來：在最近的全球暑期訓(xùn)練營中，有4000人通過研討會(huì)及實(shí)驗(yàn)室的形式學(xué)習(xí)IBM開源Qiskit開發(fā)平臺(tái)的相關(guān)知識(shí)。
個(gè)人也能夠從量子計(jì)算浪潮中汲取力量
量子計(jì)算掀起的這一波革命浪潮，也讓每個(gè)人普通人獲得了重新學(xué)習(xí)計(jì)算技能的機(jī)會(huì)，真正抓住下個(gè)世代中蘊(yùn)藏的寶貴機(jī)遇。由于量子計(jì)算的基本原理與經(jīng)典計(jì)算完全不同，因此大家不需要太多原有知識(shí)即可輕裝上陣。
這是計(jì)算發(fā)展歷程當(dāng)中令人振奮的關(guān)鍵時(shí)刻。我們面對(duì)的包括疫苗制造在內(nèi)的一系列實(shí)際問題，都有望在量子計(jì)算的支持下更快、更好地獲得答案。研究人員與技術(shù)供應(yīng)商正在免費(fèi)提供花費(fèi)數(shù)十億美元設(shè)計(jì)的培訓(xùn)課程與計(jì)算資源服務(wù)。任何有意愿且有能力學(xué)習(xí)這些新技能的人們，都將在下一場(chǎng)計(jì)算變革中獲得提升自己的機(jī)遇。世界就在你的手中，而量子計(jì)算將成為我們認(rèn)識(shí)并改變新時(shí)代、新世界的有力武器！
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