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潘禺:美國開始重新審視量子計(jì)算機(jī),這對中國很重要
為什么量子計(jì)算需要糾錯(cuò)
在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中,信息以可檢索的比特形式存儲,二進(jìn)制編碼為0或1。在量子計(jì)算機(jī)中,基本粒子處于疊加態(tài),一個(gè)n量子比特的量子計(jì)算機(jī)可以表示2^n個(gè)可能的狀態(tài),這允許量子計(jì)算機(jī)在一次操作中處理大量數(shù)據(jù),使得量子算法在解決某些問題時(shí),具有潛在的指數(shù)級加速。
疊加并不能簡單理解為“同時(shí)”,不是說量子比特可以“同時(shí)是0和1”,而經(jīng)典比特只能是其中之一。如果你看到一個(gè)所有可能答案的等概率疊加,并讀取一個(gè)隨機(jī)答案,這顯然沒有意義。
疊加的真實(shí)含義,可以表示為0態(tài)和1態(tài)的“線性組合”,也就是∣ψ?=α∣0?+β∣1?,其中α和β是復(fù)數(shù),稱為概率振幅(probability amplitudes),這些振幅的絕對值的平方給出了當(dāng)量子比特被測量時(shí),系統(tǒng)塌縮到相應(yīng)狀態(tài)的概率。某個(gè)結(jié)果的振幅越接近零,看到那個(gè)結(jié)果的機(jī)會就越小。
量子比特的可能狀態(tài)|ψ?可以表示為Bloch球面上的一個(gè)點(diǎn)
這意味著,可以把不同倍數(shù)的狀態(tài)加在一起。每個(gè)量子比特都可以與機(jī)器中的其他量子比特糾纏。建設(shè)性的干涉,會增加某個(gè)結(jié)果的可能性,而破壞性的干涉,互相抵消,會讓振幅為零,相應(yīng)的結(jié)果就從未被觀察到。設(shè)計(jì)量子計(jì)算機(jī)算法的目標(biāo)是編排一種建設(shè)性和破壞性干涉的模式,以便對于每個(gè)錯(cuò)誤答案,其振幅的貢獻(xiàn)相互抵消,而對于正確答案,貢獻(xiàn)則相互加強(qiáng)。
只有這一切都安排好,觀察時(shí)才會以很大的概率看到正確答案。要做到這一點(diǎn)而不提前知道答案,并且比你用經(jīng)典計(jì)算機(jī)做到的要快,正是棘手的地方。
更困難的問題是退相干。量子計(jì)算機(jī)與其環(huán)境之間的相互作用,不管是熱振動(dòng)、宇宙射線、電磁干擾還是其他噪聲源,可能導(dǎo)致量子比特過早被“測量”,它們坍縮成0或1單一值的經(jīng)典比特。
人們從一開始就不清楚,量子計(jì)算機(jī)提供的指數(shù)級加速是否會因保護(hù)系統(tǒng)免于崩潰所需的指數(shù)級復(fù)雜性而被抵消。疊加態(tài)非常脆弱,以至于單個(gè)量子比特與其周圍環(huán)境中分子的隨機(jī)相互作用可能導(dǎo)致整個(gè)糾纏量子比特網(wǎng)絡(luò)脫鏈或崩潰。隨著每個(gè)量子比特轉(zhuǎn)化為數(shù)字化經(jīng)典比特0或1,正在進(jìn)行的計(jì)算就被破壞。
這就需要糾錯(cuò)。在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中,糾錯(cuò)通過在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)大量的冗余實(shí)現(xiàn)。糾錯(cuò)算法比較多份輸出,選擇最常見的答案,并將其余數(shù)據(jù)作為噪聲丟棄。但不能對量子計(jì)算機(jī)這樣做,因?yàn)閲L試直接比較量子比特會使程序崩潰。因此,必須設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)只測量錯(cuò)誤而不是數(shù)據(jù)的算法,從而保留包含正確答案的疊加態(tài)。一個(gè)在20世紀(jì)90年代中期提出的糾錯(cuò)方案,巧妙地將量子計(jì)算中的每個(gè)量子比特編碼到幾十個(gè)甚至數(shù)千個(gè)物理量子比特的集體狀態(tài)中,大量的量子位專門用于糾錯(cuò)。
但糾錯(cuò)技術(shù)本身會引入錯(cuò)誤。當(dāng)然,從理論上講(實(shí)際上并沒做到),可以在不需要100%精度的情況下糾正新的錯(cuò)誤,允許小的背景噪聲在計(jì)算進(jìn)行時(shí)污染計(jì)算。這意味著希望還沒有完全破滅。
把“容錯(cuò)”算法植入量子電路,目前可以合理地控制十來個(gè)量子比特,但這離至少數(shù)千個(gè)量子比特、有用的商用量子計(jì)算機(jī)過于遙遠(yuǎn)。當(dāng)你讀到關(guān)于50或60個(gè)物理量子比特的最新實(shí)驗(yàn)時(shí),重要的是,要明白這些量子比特沒有糾錯(cuò)。
世界上最大的量子計(jì)算機(jī)(就量子位而言)是IBM的Osprey,擁有433個(gè)量子位。但即使有200萬個(gè)量子位,一些量子化學(xué)計(jì)算可能需要一個(gè)世紀(jì)。據(jù)一篇最新的論文估計(jì),在8小時(shí)內(nèi)破解最先進(jìn)的密碼將需要2000萬個(gè)量子位,這已經(jīng)很樂觀了,比之前估計(jì)的10億個(gè)量子位要少得多。
對中國的啟示
任何一個(gè)時(shí)髦的科技領(lǐng)域,隨著大量金錢的涌入,都有可能出現(xiàn)騙子。在過去20年里,至少有數(shù)十億美元投入到量子計(jì)算,但公共媒體甚至沒有講清楚這個(gè)領(lǐng)域中的大量基本常識。
新聞里除了不會告訴你“量子比特沒有糾錯(cuò)”,還有大量的欺騙性話術(shù)和概念混淆。比如,量子模擬和量子計(jì)算的概念就被混淆。新聞里會夸耀加拿大的D-Wave是全球第一家成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的量子計(jì)算公司,擁有獨(dú)家的退火技術(shù)量子計(jì)算,客戶包括洛克希德·馬丁、大眾、NASA、谷歌等。
但D-Wave是一臺純粹模擬機(jī)器,旨在解決特定的優(yōu)化問題,它不是數(shù)字的,也不是糾錯(cuò)的,也不是容錯(cuò)的。
數(shù)字和模擬的區(qū)別是什么呢?假設(shè)你想要模擬全球氣候變化。一種方法是編寫一個(gè)數(shù)學(xué)模型,然后在數(shù)字計(jì)算機(jī)上解方程。這通常是氣候科學(xué)家所做的。另一種方法是嘗試在可控實(shí)驗(yàn)中模擬地球氣候的某些方面。可以創(chuàng)建一個(gè)遵守與試圖模擬的系統(tǒng)相同運(yùn)動(dòng)定律的簡單物理系統(tǒng)——例如,在罐子中混合氮?dú)?、氧氣和氫氣。罐子?nèi)部發(fā)生的事情是一次真實(shí)世界的計(jì)算,它告訴你,在某些條件下大氣湍流的情況。
量子模擬器本質(zhì)也是用一個(gè)可控物理系統(tǒng)來模擬另一個(gè)。由于模擬演變沒有數(shù)字化,軟件無法進(jìn)行錯(cuò)誤校正,模擬設(shè)備必須保持量子疊加態(tài)足夠長的時(shí)間,其難點(diǎn)與通用的量子計(jì)算機(jī)不同。
中國也在量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域取得了顯著成果,見諸新聞報(bào)道的就有“九章”“祖沖之”“本源悟空”等型號,代表光量子和超導(dǎo)兩條技術(shù)路線。中國在量子計(jì)算領(lǐng)域的科研進(jìn)展當(dāng)然令人鼓舞,但經(jīng)過前面的分析不難理解,去比較中國是全球第二個(gè)還是第幾個(gè)實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”或“量子優(yōu)越性”的國家,本身就陷入了谷歌開啟的無聊炒作。
《自然》雜志2023年5月發(fā)表的一篇文章指出:
“事實(shí)上,所有的量子計(jì)算機(jī)都可以用糟糕來形容,數(shù)十年的研究尚未產(chǎn)生一臺能夠啟動(dòng)承諾中的計(jì)算革命的機(jī)器……到目前為止,有充分的理由對量子計(jì)算的前景持懷疑態(tài)度。量子專家還沒有實(shí)現(xiàn)任何真正有用且不能使用經(jīng)典計(jì)算機(jī)完成的事情?!?
萊布尼茨超級計(jì)算中心的量子計(jì)算機(jī)
另一個(gè)重要問題也被新聞媒體所忽略。數(shù)據(jù)的存儲、取出是橫在量子計(jì)算機(jī)前進(jìn)道路上的又一座難以逾越的大山,并且存在原理性障礙,很難通過工程技術(shù)手段得到解決。計(jì)算機(jī)的算力不只取決于中央處理器CPU的性能,也與內(nèi)存的容量和內(nèi)存連接CPU的帶寬有關(guān)。對于諸如AI等許多實(shí)際問題,內(nèi)存帶寬更是決定性的,目前英偉達(dá)的GPU H100的內(nèi)存帶寬已達(dá)3TB/s。
受物理原理限制,高速、長時(shí)、大容量量子存儲器難以實(shí)現(xiàn),所以量子計(jì)算機(jī)還需依賴于傳統(tǒng)的電子存儲器,這就必然增添了量子信息與電子信息之間來回倒換的許多麻煩,量子加速會在這個(gè)過程中大打折扣,甚至總體可能得不償失。
這次美國的DARPA與美國能源部科學(xué)辦公室、伊利諾伊州、美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室的量子科學(xué)家和工程師合作,進(jìn)行量子基準(zhǔn)測試倡議,其實(shí)就是追問兩個(gè)問題的答案:量子計(jì)算機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)無法完成的事情嗎?構(gòu)建一個(gè)容錯(cuò)的商用量子計(jì)算機(jī)可能嗎?
一位在美國的華裔學(xué)者告訴心智觀察所:“這個(gè)動(dòng)作在DARPA的歷史上是罕見的,我不記得有什么開創(chuàng)性、革命性的技術(shù)面臨過如此特別待遇?!?
DARPA表示,當(dāng)量子技術(shù)看似無處不在、無所不包時(shí),他們正試圖從炒作中提煉出真正的價(jià)值,憑借健康的懷疑態(tài)度、科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性以及行業(yè)和學(xué)術(shù)專家的知識。
這個(gè)動(dòng)作挺值得中國借鑒,無論DARPA會做得怎樣,中國也可以用自己的方式,把這種“健康的懷疑態(tài)度”用于重新審視自己的科研項(xiàng)目,不限于量子計(jì)算??蒲许?xiàng)目的學(xué)術(shù)成果與真正的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用是有很大距離的,甚至可能是完全不同的模式,未必都能走通,這就需要將真正的價(jià)值“從炒作中提煉”。
“量子計(jì)算如果僅僅在學(xué)術(shù)界進(jìn)行討論,資金投入給人腦,那么任何產(chǎn)出大致都可以接受,畢竟人力資源的投入相對硬資產(chǎn)的投入要小而可控性強(qiáng),但是一旦進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化前期的驗(yàn)證性資本投入,就需要在更多維度上對項(xiàng)目進(jìn)行可行性考核?!绷硪晃粯I(yè)內(nèi)學(xué)者向心智觀察所表示。
他這樣解釋DARPA的這一動(dòng)作:“DARPA對于幾十年來在量子計(jì)算持續(xù)不斷地硬資產(chǎn)投入和各種缺少衡量指標(biāo)性的炒作顯得不耐煩,因此這次DARPA直接強(qiáng)硬打斷所有量子計(jì)算專家的話,告訴他們,不要告訴我你做了什么,讓我們來先制定一個(gè)評判標(biāo)準(zhǔn)體系,然后你來告訴我,你做的能夠符合標(biāo)準(zhǔn)體系的哪一條。”
不久前,中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會理事長、長江存儲董事長陳南翔在采訪中表示,過去在發(fā)展集成電路的過程中,中國走了很長一段時(shí)間的“彎路”。本質(zhì)上,中國想要發(fā)展的是一種芯片產(chǎn)業(yè),但過去這件事交給大學(xué)、研究院和科學(xué)院,最終獲得的是一種更具學(xué)術(shù)性的成果。
陳南翔強(qiáng)調(diào),這是兩種完全不同的路徑,中國現(xiàn)在需要的是一種產(chǎn)業(yè),需要?jiǎng)?chuàng)新的產(chǎn)業(yè)、服務(wù)和商業(yè)模式,最終轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)濟(jì)的商業(yè)價(jià)值?!拔艺J(rèn)為,在花了很長一段時(shí)間的摸索之后,無論是從政策的主導(dǎo)者,還是產(chǎn)業(yè)利益的相關(guān)方,終于明白了?!?
“不能說我們已經(jīng)找到了產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最佳模式,但起碼,我們已經(jīng)知道了什么樣的模式是注定要失敗的。在長時(shí)間試錯(cuò)后,現(xiàn)在我們可以相信,在未來集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中,一定正孕育著一個(gè)巨大的成功模式。大家拭目以待?!?
陳南翔講清楚了發(fā)展產(chǎn)業(yè)與取得學(xué)術(shù)成果的不同,值得深思??蒲胁⒎且粭l只需向前看的坦途,總結(jié)走過的彎路,中國也需要DARPA這樣回頭看的動(dòng)作,努力審視科研成果的真正價(jià)值,這很重要。
本文系觀察者網(wǎng)獨(dú)家稿件,文章內(nèi)容純屬作者個(gè)人觀點(diǎn),不代表平臺觀點(diǎn),未經(jīng)授權(quán),不得轉(zhuǎn)載,否則將追究法律責(zé)任。關(guān)注觀察者網(wǎng)微信guanchacn,每日閱讀趣味文章。
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- 原標(biāo)題:美國開始重新審視量子計(jì)算機(jī),這對中國很重要 本文僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)。
- 責(zé)任編輯: 李昊 
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