量子计算竞速时代,如何拨动时间的指针

阅读数:4134 2019 年 1 月 25 日 21:05

量子计算竞速时代,如何拨动时间的指针

在摩尔定律逐渐失效的今天,我们该怎样看待量子计算的发展?科技巨头如何把控、跟踪量子计算的时代脉搏?下一个十年里,华为又如何更新知识结构,在量子浪潮中仍然屹立于前沿?

走近量子计算

量子计算(quantum computation),20 世纪 80 年代初期由阿贡实验室的 P.Benioff 提出。1982 年,美国著名物理学家理查德·费曼在一个公开的演讲中提出利用量子体系模拟量子计算的过程:设想可以直接利用量子特性来模拟物质世界中的实际问题,让量子计算机的运算过程对应于物理世界的过程,从而实现并行高效的计算求解。至此,量子计算机概念诞生,量子计算正式踏入“算力世界”。

但归于技术的极高壁垒,大部分人对量子计算都只是闻其声,未见其影。至于它究竟是如何解决实际场景中的各项问题更是知之甚少。其实,了解量子计算,要先从物理开始。

1924-1925 年,薛定谔、爱因斯坦、海森伯格和狄拉克等一大批物理学家共同创建了一个前所未有的新学科——量子力学。量子力学指出,量子态在测量过程中坍缩的随机性,使得我们最多只能预测各种结果出现的概率;量子态的叠加性,表示一个量子态可以同时处于两个相互矛盾的状态中。

以“薛定谔的猫”这一著名思想实验为例:设想在一个封闭的匣子里,有一只活猫及一瓶毒药。当衰变发生时,药瓶被打破,猫将被毒死。按照常识,猫要么就是死了,要么就是活着。但量子力学告诉我们,存在一个叠加态,猫既死又活,直到进行观察发生了什么(对应于测量的坍缩过程)。这就是薛定谔用宏观世界的例子来比拟微观领域的量子行为——量子的叠加性——直观演绎猫的“生死叠加”。

而量子计算正是将量子力学与计算机科学相结合,遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的一种新型计算模式。

据华为量子计算软件与算法首席科学家翁文康介绍,与传统计算机不同,量子计算以微观粒子构成的量子比特为基本单元,具有量子叠加、纠缠和不可克隆性。量子的叠加性,一方面意味着量子体系的存储能力将随着量子比特数的增长呈指数增长;另一方面,结合量子叠加和量子纠缠等特性,通过量子态受控演化将实现超强并行量子计算能力。

迷思还是解析

量子计算作为颠覆性的未来计算技术,有可能成为未来 AI 和云计算的基石,并为未来科技带来巨大的计算红利。但值得注意的是,大多数人对目前量子计算技术的进展持谨慎态度。翁文康表示,量子计算是一场从根上开始的革命,在理论上有巨大的潜力,但距离真正的商用,从硬件、软件到算法还有非常多的技术挑战,是一个复杂的系统工程。

目前,量子计算在量子编码、量子算法、计算模型和物理实现等方面取得了大量研究成果,越来越多的企业加入到量子计算工程化的阵营,量子器件的性能大幅提升。以量子比特数为例,企业介入之前量子比特数大概只有三到五个,到了今天已经大概有五十到七十个比特,这是一个巨大的飞跃。

但是,翁文康进一步表示,量子计算整体仍处于基础理论研究和原型产品研发验证阶段,硬件、软件、算法到系统等多项关键技术仍有待突破。另外,由于人才、技术、资金的限制,全球范围内只有少数公司和大学开展量子计算的基础研究。眼下,还没有出现真正意义上的量子计算机,这极大制约了量子计算的研究和普及。

正是在这如此复杂的背景之下,华为结合过去在 ICT 产业中硬件、软件、算法和系统工程的深厚积累,将量子计算纳入华为基础研究的重要方向之一。在 2018 年的 HC 大会中,华为发布量子计算模拟器 HiQ 云服务平台,标志着华为在量子计算的研究和创新上迈出了重要一步。
量子计算竞速时代,如何拨动时间的指针

据翁文康介绍,HiQ 云服务平台在量子电路模拟上实现了多项功能的重大创新,包括高性能分布式内存计算框架、最优化量子门调度及容和算法、量子门操作算法优化,以及在云服务器上的软硬件优化等。

HiQ 云服务平台基于华为云强大的计算资源,采用了一些突破性技术。克服了全振幅模拟器增加量子比特时,内存容量和网络宽带需求指数级上升的一些挑战,并且对外提供全振幅模拟和单振幅模拟的云服务。而且,它首次集成纠错量子电路模拟,可实现数万量级量子比特的纠错电路模拟,性能是同类模拟器的 5-15 倍。

与此同时,在量子算法的运算能力上,HiQ 量子计算模拟器云服务可进行 10 余种重要基础量子算法的运算,包括量子随机数生成、量子隐形传态、Grover 搜索算法、Shor 质数分解算法、量子支持向量机、相位估计以及最大值查询等。

另外,翁文康强调,HiQ 不仅有业界领先的全振幅和单振幅模拟器,还在业界率先推出:高性能量子纠错电路模拟器云服务。这是业界第一次将量子纠错模拟器放在云服务上,目的是创造科研和教育的使能平台。高性能量子纠错电路模拟器云服务基于 Stabilizer Circuit 模型,模拟数十万量子比特电路,可应用于超导量子电路、离子阱量子计算机等量子计算硬件的纠错,为量子纠错机制研究提供有用工具。

当前,第二次量子革命的号角已经吹响。华为的突破已让探索量子算法和应用的步伐越来越快。

路漫漫其修远兮

如果量子计算想要取得真正的成功,不能仅靠华为或者 IBM 发布的一些高端机器,还需要开发者和使用者之间紧密的相互合作。只有在一个相对开放、合作、共享的平台上,使用者的各种配套技能才能取得快速发展。

而针对企业来说,今天应用量子技术的配套装置仅仅是个开始。接下来的挑战大部分是工程技术上的,而非科学理论上的。量子技术更激动人心之处正是它目前尚未开发的潜能。翁文康以量子人工智能为例表示,今天的 AI 还存在很多问题,一方面算力不足,另一方面 AI 还无法像人脑一样自主连续地学习、无法进行抽象思考等,而量子算法的研究可能会给未来 AI 算法带来全新的思路:用量子 AI 算法的思想启发经典 AI 算法,向强人工智能或自然智能演进;另外,量子计算也可能为新材料设计、药物设计、加密体系、复杂优化调度问题等带来革命性的变化。

过去 20 世纪的大部分时间里,“量子”在普罗大众的意识里代表着“诡异”和“高深”。然而在 21 世纪,它将意味着“更好”和“未来”。

正如翁文康所说:“量子计算是一种不同于经典计算的革命性计算技术,也是云计算面向未来的核心技术。量子算法为 AI 算法带来全新的视角,可启发出更好的经典 AI 算法,加速计算能力。未来,华为将持续在该领域进行投入,华为量子计算模拟器 HiQ 云服务平台将对外开放提供云服务,携手广大开发者、研究人员、老师和学生们共同创新,推动量子计算的技术研究和产业化发展。”

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