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揭秘谷歌可能改變世界的秘密武器
華爾街日報中文網(wǎng)? 2017-10-19 09:08:16

哈穆特·奈文(Hartmut Neven)相信存在平行宇宙。最近有一天上午,在谷歌公司(Google)洛杉磯辦公室外,這位53歲的計算機科學家向記者介紹了量子力學(原子和粒子物理學)如何支持所謂的多元宇宙論。奈文指著擺放在他與記者之間的錄音設(shè)備稱:“我們所看到的只是該設(shè)備的一個經(jīng)典形態(tài),但在我們目前無法感知的某個地方,該設(shè)備還以其他的形態(tài)存在。”據(jù)奈文稱,這不僅適用于錄音設(shè)備,而是適用于所有實體物件。他表示,即使像人類這樣的系統(tǒng),在平行宇宙中也存在人類所有個體的一個不同形態(tài)。

操著濃重德國口音、喜歡穿粉色克里斯提·魯布托(Christian Louboutin)牌鉚釘鞋的奈文主導了谷歌一些最具開創(chuàng)性的項目,包括圖像識別軟件和谷歌眼鏡等。盡管沒有在消費市場上取得成功,但谷歌眼鏡開創(chuàng)了頭戴式計算機的先河。奈文面前的任務可謂他職業(yè)生涯中最復雜的任務:根據(jù)量子力學的奇特法則建造一款計算機。

什么是量子力學?

目前還沒有關(guān)于量子力學的簡短解釋,但《Cliffs Notes》上的解釋是這么說的:科學家已經(jīng)證明原子可同時以兩種狀態(tài)存在,這種現(xiàn)象叫做態(tài)疊加。舉例而言,單個原子可以同時出現(xiàn)在兩個位置。

態(tài)疊加效應隨著尺度的放大會變得更加不可思議。由于一切物體都是由原子組成的,一些物理學家推測,所有物體都能以多維形式存在,就像奈文說的,存在平行宇宙的可能。

即使愛因斯坦也無法理解這些。這位諾貝爾物理學獎獲得者說,支撐量子力學的概念從根本上存在缺陷。而在他之后,科學家已經(jīng)反復并且確鑿地證明了這一理論。

在谷歌位于加州圣巴巴拉的實驗室里,該公司嬌貴的量子芯片被凍存于懸空的低溫恒溫器里

這些原理是下一場計算革命的依據(jù)。在加州圣巴巴拉郊外一個堆滿沖浪板、潛水服和原聲吉他的小實驗室里,奈文與20多位谷歌物理學家和工程師正在利用量子力學原理建造一臺可能有驚人力量的計算機。一臺可以信賴的大型量子計算機可能顛覆從人工智能到化學的很多行業(yè),加快機器學習以及新材料、化學品和藥物的研制。

“如果研發(fā)成功,量子計算機將會改變整個世界,改變事物的運作方式。”物理學家、硅谷風險投資公司安德森·霍洛維茨基金(Andreessen Horowitz)合伙人、維賈伊·潘德(Vijay Pande)說。其公司投資了量子計算初創(chuàng)公司Rigetti Computing。

其他一些人,尤其是學者,所持的觀點則有所出入。

得克薩斯州大學奧斯汀分校量子信息中心主任斯科特·阿倫森(Scott Aaronson)表示,“量子計算機不僅僅是我們所熟悉的那種計算機的更快速版本。它是一種從根本上全新的利用自然進行運算的方式。人們會問,‘它要快上一千倍嗎?還是要快上百萬倍?’這完全取決于如何應用。它有可能在短短一分鐘內(nèi)解決我們用經(jīng)典方法永遠也解決不了的問題。而在其它類型的測試中,量子計算機給你帶來的助益甚微,或者完全幫不上忙。”

量子計算機時代何時到來?

近30年來,這些機器一直被認為僅屬于科幻范疇。在現(xiàn)實中,可靠、且能大規(guī)模投入使用的量子計算機何時才能出現(xiàn)?就在幾年前,各界的普遍預測是20年后,甚至永遠不會出現(xiàn)。

Isara Corp.公司CEO斯科特·托茨克(Scott Totzke)說,“現(xiàn)在沒人再說量子計算機永遠都不會到來了。我們?nèi)蕴幵诜浅?,非常早期的發(fā)展階段,但這早已不是科幻了。”Isara Corp.是一家在研發(fā)量子計算機安全加密方案的加拿大公司。

全球企業(yè)和大學正競相打造這類計算機,Alphabet Inc.的子公司谷歌似乎走在了前沿。明年年初,谷歌的量子計算機將面臨決定性考驗,它將解決一道一臺傳統(tǒng)計算機需要花費數(shù)十億年才能解開的難題。如若成功,將意味著“量子霸權(quán)”的建立,這是量子計算機以往無法跨過的一道門檻。計算機科學家稱,這將是一個里程碑,標志著計算機新時代的到來,以及所謂的“古典時代”的終結(jié)。

谷歌的這些64平方毫米芯片是是全球目前最先進的通用量子計算機

量子計算機的原理

經(jīng)典計算機,比如你的筆記本電腦或者手機,以比特(bit)為單位存儲和處理信息。每比特的值要么是1,要么是0。比特可用被稱作晶體管的微型電路來表示。對于你的iPhone來說,指尖的每一次觸控,鏡頭下的每一次自拍,都只不過是由“1”和“0”組成的一個長序列。

量子比特(qubit)利用疊加同時以兩種狀態(tài)存在——實際是就是同時以1和0存在。在經(jīng)典計算機中,比特就像是硬幣,要么顯示正面要么顯示背面。而量子比特則像是被拋在空中的、不斷旋轉(zhuǎn)的硬幣,同時顯示正反面。

這種動態(tài)讓量子比特能夠較經(jīng)典比特編碼和處理多得多的信息,以至于計算機科學家稱,時下性能最強大的筆記本電腦在量子計算機面前就像是算盤。理論上,一個占據(jù)數(shù)個城市街區(qū)的數(shù)據(jù)中心的計算能力,一個句點般大小的量子芯片就能實現(xiàn)。

那種潛力是指數(shù)式增長的結(jié)果。增加一個比特,對于經(jīng)典芯片的計算能力的提升微不足道,但增加一個量子比特,則可讓量子芯片的計算能力翻一倍。300個比特的經(jīng)典芯片大概可以驅(qū)動一個基本功能的計算器。但300個量子比特的芯片,其計算能力則達到驚人的2乘以10的90次方比特——那是一個超過宇宙原子總數(shù)量的數(shù)字。

量子計算機vs.經(jīng)典計算機

經(jīng)典計算機采用比特這一信息量單位,用“1”或“0”來記錄所有的信息狀態(tài)。而量子計算機使用量子比特,這種單位能夠同時是“1”和“0”。

這讓量子比特在特定任務中能夠處理比比特多得多的信息——尤其是在多任務結(jié)合的時候。每增加一個量子比特,量子計算機的運算能力就能翻一番,這種指數(shù)式增長可催生強大得多的規(guī)?;瘷C器。

制圖:Todd Detwiler

但這種對比僅適用于特定的運算任務。拿比特和量子比特比較不是易事,因為量子計算機和經(jīng)典計算機是截然不同的兩種機器。不同于經(jīng)典計算機,量子計算機不會對一個問題的所有潛在解決方案進行測試。相反,它們利用算法來剔除導向錯誤答案的路徑,僅留下導向正確答案的路徑——那些算法僅適用于解決特定的問題。這使得量子計算機不適用于進行日常上網(wǎng)等用途,因此別指望會出現(xiàn)量子iPhone。但它們能夠做的是,解決特定復雜到難以想象的問題,如合成新分子來設(shè)計更加輕盈的飛機部件、更加有效的藥物和更好的電池。

量子計算機也存在錯誤率高的問題,因此部分科學家和數(shù)學家質(zhì)疑它們的可靠性。谷歌和其它的公司稱該問題可通過糾正錯誤的算法來解決,但那些算法需要更多的量子比特來檢查進行運算的量子比特的工作。有的專家估計,檢查單個量子比特的工作將需要額外增加100個量子比特。

有點懵?不只有你一個人如此。微軟聯(lián)合創(chuàng)始人比爾·蓋茨最近接受《華爾街日報》旗下雜志“WSJ. Magazine”采訪時稱,公司的人給他展示幻燈片時,量子計算項目是他真正沒搞懂的部分。

曾獲得諾貝爾獎的理論物理學家理查德·費曼(Richard Feynman)說,“我想,可以說幾乎沒有人能夠理解量子力學。”

費曼是最早提出量子計算機概念的人之一。1981年,他在一次演講中說,模擬物理學將需要基于自然或者量子力學的計算機。“糟糕的是,自然并不經(jīng)典,”他說道,“如果想要模擬自然,那你最好利用量子力學。”

量子計算機研發(fā)難在哪兒?

在之后的20年里,研究人員嘗試打造費曼所設(shè)想的那種機器,但沒有取得成功。量子比特被證明非常脆弱、多變。它們只能夠?qū)B加狀態(tài)維持幾納秒,即十億分之幾秒。而只有在疊加狀態(tài)下,它們才擁有大規(guī)模運算能力。近乎感覺不到的細微溫度變化,甚至空氣的單個分子,都有可能讓它們脫離那種狀態(tài)。

“這有點像是試圖讓雞蛋在針尖上保持平衡,”IBM量子計算機科學家杰瑞·周(Jerry Chow)在演講中說,“你肯定能夠做到,但一旦噪聲、熱量或者震動帶來哪怕一丁點的干擾,也會讓它搞砸。”

在過去的五年間,科學家們在量子計算機所需的平衡技術(shù)上取得了巨大的進步。資本隨之大量涌入,谷歌、微軟、IBM、英特爾等公司都在進行相關(guān)項目,來自潛在客戶的興趣也應聲增加。

大眾汽車正在測試由加拿大公司D-Wave Systems Inc.生產(chǎn)的量子計算機。這兩家公司3月份表示,他們利用北京1萬輛出租車上的GPS數(shù)據(jù)編制了一套算法,能夠計算出抵達機場最快、交通最順暢的路線。D-Wave稱,一臺傳統(tǒng)計算機需要花費45分鐘才能完成這項任務,但其量子計算機只需遠不到1秒。

這樣看來D-Wave似乎已經(jīng)勝出,但該公司售價1,500萬美元的2000Q型量子計算機只適用于范圍很窄的數(shù)據(jù)分析,包括前面提到的大眾汽車的測試。盡管2000Q擁有2,000個量子比特(科學家警告說,這個數(shù)字不應拿來與通用量子計算機作比較,比如谷歌的量子計算機),但還沒有達到量子霸權(quán)的地步。D-Wave總裁Bo Ewal表示,設(shè)計2000Q的初衷并不是用它來找到最優(yōu)方案,而是在短期內(nèi)找到一個足夠好的方案。

擁有超能力的雙刃劍

并非所有人都熱切期盼精確的巨型量子計算機的到來。從信用卡交易到即時信息等一切事物的加密都是由一種因數(shù)分解的算法(即反向乘法)完成的。一個非常龐大的數(shù)字(比如長度達到幾百位的數(shù)字)可以作為加密數(shù)據(jù)的鎖,而這個數(shù)字的兩個質(zhì)因數(shù)則是鑰匙。所謂的公鑰加密被用來保護健康檔案、在線交易和大量其他敏感數(shù)據(jù),因為一臺傳統(tǒng)計算機要想找到這兩個質(zhì)數(shù)將花費數(shù)年的時間。但在理論上,量子計算機幾乎可做到“立等可取”。

企業(yè)和政府正在忙著為一些人口中的量子元年(Y2Q)做準備。在量子元年,一部精確的大型量子計算機將問世,一些專家預計那將是在2026年前后。屆時,人類守護最嚴密的數(shù)字秘密可能變得不堪一擊。

去年,美國國家安全局(NSA)發(fā)布命令,要求美國國家安全職員和供應商必須要在“不遠的將來”改造他們的加密系統(tǒng),以防范量子計算機帶來的威脅。由于國家安全信息必須要被保護數(shù)十年,該機構(gòu)稱新加密系統(tǒng)必須要在這些機器到來之前落實到位。該機構(gòu)警告稱,不然,可破譯密碼的量子計算機會對國家安全產(chǎn)生“毀滅性的影響”。

政府不僅僅在打防御戰(zhàn)。據(jù)《華盛頓郵報》報道,前NSA雇員斯諾登2013年泄露的文件顯示,作為8,000萬美元的研究項目“攻堅”(Penetrating Hard Targets)的一部分,NSA正在開發(fā)自有的量子計算機。目前還不清楚NSA取得了多大的進展。該機構(gòu)拒絕置評。

量子計算機競賽的主要推動力是其顛覆整個行業(yè)的潛力。專家們認為,量子計算機近期最大的希望是為機器學習、人工智能以及相關(guān)行業(yè)注入超能力。機器學習和人工智能是當前迅速發(fā)展的兩個領(lǐng)域。谷歌的奈文稱,他預計10年內(nèi)所有的機器學習都將在量子計算機上進行。

今年早些時候,這場商業(yè)競賽急劇升溫。5月,IBM發(fā)布一款16個量子比特的芯片,這對通用型量子計算機來說具有里程碑的意義。之前一天,一個行業(yè)組織發(fā)表了對谷歌量子硬件主管約翰·馬丁尼斯(John Martinis)的采訪。馬丁尼斯在采訪中不小心透露了谷歌有一款22個量子比特的芯片。

顯微鏡下拍攝的谷歌64平方毫米芯片圖中,可以看到該公司巧妙的品牌宣傳:該公司的名稱Google出現(xiàn)在底部

走進谷歌量子計算機實驗室

目前,谷歌的芯片被冷凍存放于該公司圣巴巴拉實驗室內(nèi)一個被稱作低溫恒溫器的精制大桶里。該看似閑適的實驗室位于洛杉磯,是奈文領(lǐng)帶的量子項目的基地。里面有乒乓球桌和各式各樣的手鼓,整個空間感覺就像是附近加州大學圣巴巴拉分校校園的一部分。辦公室負責人馬丁尼斯是該大學的物理學教授,他的很多雇員都是研究生。

最近的一個下午,兩位剛從加州大學圣巴巴拉分校獲得博士學位工程師丹尼爾·贊克(Daniel Sank)和阿米特·溫森徹(Amit Vainsencher)帶我去看位于該實驗室一個角落的閃閃發(fā)光的低溫恒溫器。他們梳著卷發(fā)馬尾鞭,模樣甚是休閑。由于受到再輕微的干擾,微粒也會脫離疊加狀態(tài),量子計算機必須要與外部世界完全隔絕開來。該低溫恒溫器的高導磁合金外殼可阻隔地球的磁場,它上面貼著一條保險杠貼紙,寫著:“我的另一臺計算機是經(jīng)典型的。”

一個表面布滿霜的容器被置于低溫恒溫器附近,容器中的壓縮氦和液態(tài)氮可將恒溫器內(nèi)部的溫度保持在-459.6華氏度(-237.5攝氏度),該溫度僅比最低的絕對零度高一點,這給谷歌的量子比特進行運算創(chuàng)造了所需的超導條件。“如果你晃動這個架子,你可以看到溫度計的讀數(shù)上升。”溫森徹說,隨后搖了搖將低溫恒溫器懸在空中來限制震動干擾的支架。他接著說,“我或許不該這么做。”

該裝置如此錯綜復雜、昂貴,這意味著谷歌和它的同行很可能將在云端出售量子計算,可能會按秒計費。

目前,奈文和他的團隊在南加州緊鑼密鼓地完成49個量子比特的芯片。他們希望該芯片將開啟量子霸權(quán)以及一個新的技術(shù)領(lǐng)域。在這個領(lǐng)域里,計算機利用的是復雜到無法想象的自然法則,而不是將世界轉(zhuǎn)變成“1”和“0”。

奈文說,“這臺計算機里面沒有晶體管。它是一個全然不同的猛獸,是多元宇宙的原住民。”

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多財多億-王云騰
任倩2017-10-19 10:04:31
好文章
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