IBM客户带来的启示:立足当下建立量子计算战略,真的很重要

来源:Forbes    2020-08-31 14:59:24

关键字: 量子计算 IBM

量子计算的实质,在于使用叠加、纠缠与干涉等量子力学概念实现计算能力。但对于很多不太了解物理学知识的朋友,这些术语确实令人感到头痛。面对这个现实问题,Sutor给出了简单易懂的解读方式。

Bob Sutor,IBM公司量子生态系统开发副总裁

科技发展日新月异。如今,科学家们已经在开发作为下一代计算方案的量子计算技术。过去一年以来,我有幸与IBM公司量子生态系统开发副总裁Bob Sutor进行多次对话,探讨量子计算领域的种种最新动态。虽然量子计算尚未被大多数人所熟知,但Sutor认为这项概念本身并不算什么新鲜事物。事实上,量子计算的起源可以追溯到二十世纪初与量子力学的诞生时刻。

IBM客户带来的启示:立足当下建立量子计算战略,真的很重要

量子计算的实质,在于使用叠加、纠缠与干涉等量子力学概念实现计算能力。但对于很多不太了解物理学知识的朋友,这些术语确实令人感到头痛。面对这个现实问题,Sutor给出了简单易懂的解读方式。

Sutor将整个计算领域分成两大阵营,即经典阵营与量子阵营,并分别对二者做出简单描述。经典阵营的产物就是我们目前正在使用的一切,包括处理器、互联网服务器、大型机以及高性能计算等等。但是,我们为什么要开发量子技术?量子技术又有何重要意义?

Sutor提到,经典计算机面对着一系列其永远无法解决的问题。在处理这类问题时,经典计算架构往往需要消耗几乎无穷无尽的资源。为此,IBM及其他企业正努力开发出一种能够突破这些限制的全型计算体系。

为什么量子计算机尚未真正实现?

向量子计算的转变,要求我们构建前所未有的硬件、软件、物理机箱甚至是编程模型。量子计算机的基本单元为qubit,即量子比特。与经典计算机中的0或1二进制设计不同,量子比特所能呈现的状态更为复杂。简单来讲,以往的计算设备是种非此即彼的简单体系,类似于只有两面的硬币。硬币落下,总归只会出现正面或反面这两种情况。但在落地之前,硬币的不断旋转状态则代表着既不是正面、也不是反面的另一种新状态——也可以说既是正面、又是反面。量子计算机中的量子比特正是如此,其状态可以为0、可以为1,也可以是0与1的叠加。这种状态灵活度,给我们的计算架构设计开辟出前所未有的新维度。

如果再加入纠缠这一概念(即彼此纠缠的量子比特,将使各方的行为具有相互关联性),则意味着每增加一个新的量子比特,则量子计算能力也将随之加倍。例如,系统中的量子比特可以从2到4、再到8乃至16,而计算能力也将随之呈指数级增长——正是这种特性,使得量子计算机非常适合解决高度复杂的计算问题。

挑战仍然存在

在理想情况下,我们可以直接创建一个量子比特、添加其他量子比特,并对各量子比特应用操作(指令集)以获得所需的结果。但实际情况显然不可能这么简单。正如《科学计算机》杂志所言,“量子计算机的工程设计、制造与编程难度极大。结果就是,量子计算机往往受到噪声、故障与量子相干性损失等因素的严重影响,很难获得持续稳定的运作效果。事实上,既然是最简单的程序,都很难正常运行直到结束。”

量子比特对于热量及各类外界干扰非常敏感。由于热量会产生计算错误,因此只能将量子比特保存在超低温环境下。例如,IBM量子计算机位于温度低至0.015开尔文的室内,而我们的正常室温一般为2.7开尔文。

噪声也有可能导致错误,进而影响计算结果。其中部分错误可能源自极为微小的制造工艺缺陷;这时一旦向量子比特施加过高能量,又会进一步导致其他错误。为此,量子计算的物理结构必须尽可能消除现实世界中的额外噪声。IBM公司在《自然》杂志上发表的论文中,就明确探讨了一种“以噪制噪”的智能化噪声消除解决方案。

重要的是质量,而非数量

与上一世代的处理大战一样,不熟悉量子计算基本原理的朋友很容易陷入量子比特越多越好、发布的量子系统比特数越高则相关厂商技术越先进的认识误区。量子计算的核心并不在于一台计算机能够支持多少个量子比特,而是其中高质量的量子比特是多少。一套强大的量子系统需要在器件层级抓起,由科学家与工程师为设备构建量子比特,努力让各个量子比特中的错误几率最小化,同时优化其与其他量子比特之间的连接方式。正如使用质量较差的HDMI线缆会使电视无法获得清晰的图像,量子也是如此——系统中的任何一个环节,都有可能对最终质量产生重大影响。

由于量子计算与经典计算有着上述重大区别,因此量子比特的质量测定也必须采用全新的标准。Sutor解释道,IBM公司使用一种名为量子体积(QV)的度量标准以衡量量子计算机的实际效能。QV方法对系统当中以高性能方式实现的最大随机电路宽度与深度做出量化。与之对应,具备高保真操作能力、高连接性、大型校准门组与电路重写软件工具链的量子计算系统,将获得更高的QV核定量。撇开技术术语,这里强调的是将对量子系统质量的讨论,从单纯的量子比特数据升级到系统间彼此交互(连接)的稳定量子比特的数量(即相干性)层面。

鉴于量子计算行业尚处于起步阶段,参与各方对于量子计算机性能的最佳衡量方法也有着自己的理解与坚持。虽然目前我们还无法评价到底哪种方法是真正的“最佳”,但供应商必须能够提供一套框架,帮助买方了解体现性能的属性以及衡量性能的不同可行方式。目前,Honeywell等厂商也已经开始使用量子体积以说明系统的实际性能。

量子计算的时代会很快到来吗?

目前,业界普遍认为量子计算的全面实现仍有很长的路要走。没错,量子计算确实很难在短期内取得实质性突破。但是,每六个月量子计算都会迎来一轮巨大进步。就在上周,IBM公司宣布已经结合一系列新的软件与硬件技术以提高整体性能。通过对客户已经实际部署的27量子比特系统进行升级,目前其QV值已经达到64。

企业巨头们正在纷纷投资量子计算

以IBM、谷歌以及英特尔为代表的各大企业都在投入时间与资金,构建更强大的量子系统与相应编程软件。但作为一项重要的应用型技术,真正的突破不可能出现在真空当中——换言之,量子计算的最大价值体现在技术供应商与客户合作解决实际问题当中。IBM目前提供Quantum Experience,并有计划推出其商用版本IBM Q Network,供企业客户使用IBM的最新技术为自身的未来业务战略提供支持。

例如,戴姆勒公司就与IBM合作研究化学与材料科学,希望探索量子算法能否为戴姆勒的新型电池设计提供支持。IBM与Exxon也在研究量子计算如何改善预测性环境建模,包括支持Exxon发现更多新型材料以提高碳捕捉效率。与此同时,摩根大通也在与IBM合作研究金融建模与风险管理方法。

量子优势与量子霸权

关注量子计算行业发展的朋友,肯定听说过“量子霸权”这一表述——即量子计算机在功能上,足以完成经典超级计算机根本无法独立实现的计算任务。Sutor谈到,相较于量子霸权,量子优势才是真正重要的关注方向。量子优势指的是与独立使用传统计算相比,量子计算机能够更高效地执行特定计算任务(将处理速度提高数百甚至是数千倍),或者显著降低计算成本,从而实现超越经典计算方式的组合优势。虽然量子计算不一定适用于所有类型的问题,但至少能够在某些方面带来优异表现。他认为,量子优势是个相对简单的目标,有望在未来十年之内得以实现。

Sutor还指出,量子计算的实现难度,绝不仅仅体现在制造量子比特身上。科学、实验物理以及工程学都需要就此实现重大突破。例如,科学家们必须改善量子电路以实现量子优势。Sutor预计,未来三到五年之内,将会出现量子优势的早期实现案例。而这种量子优势的发展愿景,必然需要硬件、软件与算法系统的共同支撑。

给组织们的量子计算建议

量子科技之所以令人振奋,是因为它迫使人们放弃完成各类计算任务的传统观念,以全新视角看待一切。而这种抛开陈旧事物、进行突破性思考的能力,也将成为决定企业未来数字化旅程终极高度的重要因素。与其他IT项目一样,大家也需要为量子计算选择一位先锋、一位带头人,由其负责在组织之内探索、试验并推广量子技术。

量子计算不是那种随处可见、给钱就买的东西。作为一项新兴技术,量子计算距离广泛的商业应用至少还有五年时间,也许还会更久。但立足当下,组织应该尽快开始进行量子计算培训,并指定能够对接云端量子计算服务的实际项目。
越早采取行动,您的组织就越有机会在材料科学与人工智能等领域取得突破。业界已经行动起来:在最近的全球暑期训练营中,有4000人通过研讨会及实验室的形式学习IBM开源Qiskit开发平台的相关知识。

个人也能够从量子计算浪潮中汲取力量

量子计算掀起的这一波革命浪潮,也让每个人普通人获得了重新学习计算技能的机会,真正抓住下个世代中蕴藏的宝贵机遇。由于量子计算的基本原理与经典计算完全不同,因此大家不需要太多原有知识即可轻装上阵。

这是计算发展历程当中令人振奋的关键时刻。我们面对的包括疫苗制造在内的一系列实际问题,都有望在量子计算的支持下更快、更好地获得答案。研究人员与技术供应商正在免费提供花费数十亿美元设计的培训课程与计算资源服务。任何有意愿且有能力学习这些新技能的人们,都将在下一场计算变革中获得提升自己的机遇。世界就在你的手中,而量子计算将成为我们认识并改变新时代、新世界的有力武器!

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