這幾天有個(gè)大新聞，是說(shuō)中科院宣布造出了全新的量子計(jì)算機(jī)。一時(shí)間主流媒體蜂擁報(bào)道，讓“中國(guó)造出世界第一”的歷史上有多了一筆。而國(guó)內(nèi)眾多媒體的報(bào)道標(biāo)題，紛紛打出了“中國(guó)造出世界第一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)”之類的說(shuō)法，甚至引述外媒來(lái)論證這一消息的準(zhǔn)確性。
但恐怕事實(shí)又一次在媒體口中被微小的“斷章取義”了一次。按照中科院的標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)法，這次成功研制的，是“世界上第一臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī)”。注意，這個(gè)說(shuō)法是有很多定語(yǔ)的：首先它是首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)計(jì)算速度的，其次它還是“光量子”計(jì)算機(jī)。
當(dāng)然，以潘建偉教授為首的中國(guó)量子計(jì)算科學(xué)家們居功甚偉。某種程度上可以說(shuō)打破了歐美在量子計(jì)算領(lǐng)域的壟斷和封鎖，尤其這次宣布實(shí)現(xiàn)了目前世界上最大數(shù)目的十個(gè)超導(dǎo)量子比特的糾纏，讓量子計(jì)算的應(yīng)用度邁上了全新的臺(tái)階。
但如果非要說(shuō)這次的事件是量子計(jì)算機(jī)從0到1的破局，那未免太不尊重科學(xué)家們的勞動(dòng)了。量子計(jì)算是一個(gè)長(zhǎng)期課題，每一小步都意味著更多可能。所以重新理解下量子計(jì)算及相應(yīng)技術(shù)應(yīng)用化的實(shí)際境況，看來(lái)還蠻有必要的。
量子計(jì)算和量子計(jì)算機(jī)，各是什么鬼？
所謂量子，是一個(gè)能量的最小單位，也是人類目前為止認(rèn)識(shí)微觀世界的終極抵達(dá)點(diǎn)。所有的微觀粒子包括分子、原子、電子、光子都是量子的一種表現(xiàn)形態(tài)，人類和整個(gè)世界也都是由量子構(gòu)成的。
但區(qū)別于經(jīng)典物理世界之間物體的相互作用形態(tài)，微觀世界量子之間的互動(dòng)更加詭異而復(fù)雜，甚至還沒(méi)有真正權(quán)威的科學(xué)解釋能闡明量子間的作用關(guān)系。
至少已經(jīng)可以證明，量子位之間具有相互疊加和相互牽連兩種屬性，而圍繞這兩種屬性構(gòu)成的力學(xué)理論，就是大名鼎鼎地“革了牛頓的命”的量子力學(xué)。
拋開(kāi)物理學(xué)不提，量子間的特性運(yùn)用到計(jì)算領(lǐng)域會(huì)呈現(xiàn)出與目前所知的計(jì)算完全不同的運(yùn)算規(guī)則。
由于量子具有疊加態(tài)，故而量子運(yùn)算具備天然的并行運(yùn)算能力。如果說(shuō)0和1組成的經(jīng)典計(jì)算是一個(gè)人在干一件事，那么量子計(jì)算就是一個(gè)人同時(shí)干很多事，并且同時(shí)完成給出疊加結(jié)果。
以這次完成的10個(gè)超導(dǎo)量子比特糾纏計(jì)算為例，它在經(jīng)典計(jì)算機(jī)完成一次計(jì)算的同時(shí)，可以完成10個(gè)比特，也就是1024次計(jì)算。那么如果超導(dǎo)比特糾纏數(shù)量持續(xù)擴(kuò)大的話，超越目前人類最快的計(jì)算系統(tǒng)也是輕而易舉的。
事實(shí)上，量子計(jì)算機(jī)是一個(gè)非常寬泛的概念。由于它的概念界定辦法僅僅是利用了量子規(guī)則完成的計(jì)算設(shè)備，所以第一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)的定義也非常模糊，很難得到公認(rèn)。
發(fā)展量子計(jì)算機(jī)的方式也各有不同，比如中科院發(fā)布的量子計(jì)算機(jī)是以光子理論完成的“光離子計(jì)算機(jī)”，其他囚禁離子技術(shù)、量子位元超導(dǎo)電路技術(shù)也都在持續(xù)深挖中。如果算上相對(duì)小眾的量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方式的話，恐怕很難統(tǒng)計(jì)目前世界上有多少種量子計(jì)算機(jī)。
當(dāng)然，某種程度上來(lái)說(shuō)目前世界上依舊沒(méi)有真正應(yīng)用意義的量子計(jì)算機(jī)。我們今天做的，更多是把一個(gè)概念從理論一步步拉倒現(xiàn)實(shí)中來(lái)。
量子計(jì)算與人工智能的關(guān)系
今天AI大火，于是經(jīng)常伴隨著AI出現(xiàn)的“兄弟詞匯”也跟著火了起來(lái)。很多人一提到AI就會(huì)緊接著蹦出來(lái)深度學(xué)習(xí)、量子計(jì)算、彈性網(wǎng)絡(luò)等等名詞。但他們之間究竟是啥關(guān)系就不知道了，反正最后總結(jié)為“不明覺(jué)厲”就對(duì)了。
總體來(lái)看，量子計(jì)算可以被看做人工智能技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)施。因?yàn)槿斯ぶ悄艿谋举|(zhì)是機(jī)器以函數(shù)推導(dǎo)來(lái)模擬人類的接受、學(xué)習(xí)和推導(dǎo)，這就涉及巨大的運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理。而量子計(jì)算恰好可以解決這個(gè)問(wèn)題。
總體而言，這對(duì)“概念基友”有以下幾個(gè)方面是互補(bǔ)的：
一、解決經(jīng)典計(jì)算的單一維度問(wèn)題：人工智能要運(yùn)用到大量的數(shù)據(jù)接收和處理，但0和1的經(jīng)典計(jì)算卻始終只能進(jìn)行單一向計(jì)算。這給人工智能的深度發(fā)展帶來(lái)了巨大不便。而量子計(jì)算的法則下，系統(tǒng)能夠通過(guò)并行計(jì)算來(lái)不斷學(xué)習(xí)來(lái)處理之前從未遇到的新數(shù)據(jù)。這就給人工智能不斷實(shí)現(xiàn)自我進(jìn)化提供了近乎“水和空氣”的基礎(chǔ)。
二、解決cpu堆砌的天花板：人工智能雖好，但問(wèn)題是需要的計(jì)算量卻太大了。比如之前Alpha GO大戰(zhàn)李世乭，動(dòng)用了1920個(gè)CPU和280個(gè)GPU。雖然效果顯著，但設(shè)備和能源消耗未免太大了，很難有廣泛應(yīng)用的空間。而如果通過(guò)量子計(jì)算法則，則可以把硬件體積和能耗大大降低，達(dá)成人工智能技術(shù)的通用化。
三、大體量計(jì)算成為可能：我們一直都在關(guān)注大數(shù)據(jù)，但最大的數(shù)據(jù)能有多大呢？有數(shù)據(jù)判斷，到2020 年全世界的數(shù)據(jù)會(huì)達(dá)到44 ZB，也就是人均5200GB。我們當(dāng)然相信越大的數(shù)據(jù)越有可能達(dá)成有效的結(jié)果推導(dǎo)。但如果數(shù)據(jù)達(dá)到這個(gè)程度，恐怕就是經(jīng)典計(jì)算帶不動(dòng)的了。所以全景式計(jì)算必須依賴量子計(jì)算，這也是人工智能開(kāi)啟全面數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)的先決條件。
四、移動(dòng)人工智能設(shè)備的必備因素：根據(jù)上面的硬件天花板推導(dǎo)，不難發(fā)現(xiàn)人工智能需要的運(yùn)算能力基礎(chǔ)是非常龐大的。而手機(jī)、汽車、穿戴設(shè)備等終端很難加載人工智能需要的運(yùn)算處理器，而云計(jì)算技術(shù)又有各種各樣的限制。因此通過(guò)量子計(jì)算，來(lái)實(shí)現(xiàn)AI設(shè)備的集成化和迷你化，可能是人工智能走進(jìn)普通生活的最佳選擇。
五、AI的反向驗(yàn)證：量子計(jì)算模擬的是微觀世界中量子的疊加與糾纏，那么這種模擬可行運(yùn)算邏輯的正誤其實(shí)很成問(wèn)題。因?yàn)橐话愕倪\(yùn)算技術(shù)根本無(wú)從檢驗(yàn)量子計(jì)算模型。所以這里人工智能可以回頭幫一下量子計(jì)算，通過(guò)多元推導(dǎo)的方式檢視量子計(jì)算的過(guò)程與結(jié)果。
所以說(shuō)，AI和量子計(jì)算近乎于是不得不同時(shí)進(jìn)化的雙生子，一個(gè)負(fù)責(zé)輔助，一個(gè)專打輸出。
量子計(jì)算的商業(yè)場(chǎng)景
量子計(jì)算單獨(dú)的商業(yè)化應(yīng)用，也是個(gè)很有意思的話題。
總體而言，量子計(jì)算的應(yīng)用可以分為兩種，一種是量子通訊層面的，另一種則來(lái)自量子計(jì)算本身。
量子通訊層面目前的應(yīng)用性較強(qiáng)，比如去年發(fā)射的墨子號(hào)量子通訊衛(wèi)星就是做這個(gè)的。這一技術(shù)手段，本質(zhì)是將量子技術(shù)作為一種不可逆的比特化數(shù)據(jù)管理體系。將信息進(jìn)行近乎不破解的超密編碼。一方面這種技術(shù)基于量子比特的不可逆轉(zhuǎn)性，沒(méi)有破除可能，比較符合未來(lái)通訊加密的需求。另一方面量子計(jì)算的因數(shù)分解能力可以輕易解開(kāi)經(jīng)典運(yùn)算領(lǐng)域的所有密碼，所以解鈴換需系鈴人，量子密碼技術(shù)近乎是個(gè)不可逆的商業(yè)應(yīng)用。
同理，量子密碼還可以被運(yùn)用到各種加密手段當(dāng)中。比如鈔票防偽、商品專屬溯源、電話加密等等。
而量子計(jì)算方面的應(yīng)用潛力其實(shí)更廣，但目前都還比較遙遠(yuǎn)。比如基于量子計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)的量子搜索，可以輕易通過(guò)并行計(jì)算技術(shù)在龐大數(shù)據(jù)中進(jìn)行抽取。這就讓模糊搜索、大數(shù)據(jù)辨認(rèn)等多種技術(shù)成為可能，尤其與AI識(shí)別結(jié)合后，想象空間更加巨大。另一種量子計(jì)算的應(yīng)用場(chǎng)景在于構(gòu)造模擬，通過(guò)量子計(jì)算?？梢阅M出微觀世界的多領(lǐng)域構(gòu)造，比如化學(xué)、材料工程學(xué)，甚至生物學(xué)的微觀模擬，都對(duì)這一領(lǐng)域的認(rèn)知突破有重要意義。
有意思的是，量子通訊的終極目標(biāo)顯然是對(duì)大量量子的傳輸，也就是所謂瞬間移動(dòng)。而用量子計(jì)算模擬生物構(gòu)造，或許可以找到基因的核心，逆轉(zhuǎn)衰老甚至死亡等生物現(xiàn)象。所以有人說(shuō)一切科幻都屬于量子計(jì)算，好像也有點(diǎn)道理。
局限性與時(shí)間軸
說(shuō)了不少好話，最后潑點(diǎn)涼水。與人工智能的應(yīng)用化進(jìn)程相比，量子計(jì)算的應(yīng)用化堪稱還處在原始社會(huì)階段。比如剛剛中科院發(fā)布的光量子計(jì)算機(jī)，還僅僅是元器件和光學(xué)儀器構(gòu)成的原型機(jī)。換言之，其進(jìn)度還處在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)階段，離投入下一階段的實(shí)踐性應(yīng)用還非常遙遠(yuǎn)。
事實(shí)上，目前無(wú)論是學(xué)術(shù)界、政府還是互聯(lián)網(wǎng)巨頭，都還沒(méi)有展現(xiàn)出量子計(jì)算正式進(jìn)入商業(yè)化階段的可能性。甚至很多理論都處在實(shí)驗(yàn)之外，僅僅有理論上的可能性。
即使能夠進(jìn)入應(yīng)用階段，量子計(jì)算的場(chǎng)景適應(yīng)性較比經(jīng)典計(jì)算還有非常遙遠(yuǎn)的距離。經(jīng)典計(jì)算的邏輯簡(jiǎn)單，但同時(shí)帶來(lái)的是各種場(chǎng)景都可應(yīng)用的泛在化能力。而量子計(jì)算對(duì)運(yùn)算類型的要求十分嚴(yán)苛，即使投入使用，恐怕也將進(jìn)入長(zhǎng)時(shí)間與經(jīng)典計(jì)算拉鋸、甚至產(chǎn)生互斥性的共生階段。
當(dāng)然，量子密碼等關(guān)鍵性應(yīng)用的商業(yè)化進(jìn)度已經(jīng)十分可觀，而人工智能、量子力學(xué)等領(lǐng)域的持續(xù)突破，也有可能指數(shù)級(jí)加快量子計(jì)算的實(shí)踐進(jìn)程。