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從谷歌來(lái)看看量子計算機應用的歷程
近日，谷歌宣布他們的量子計算機比傳統計算機快上1億倍，有人歡呼雀躍，有人提出質(zhì)疑。就讓小編帶領(lǐng)大家來(lái)看看背后的故事吧、
Martini團隊追尋的神奇計算機
John Martinis用老花鏡腿指向幾年后即將造出新型計算機的地方，這種新型計算機將擁有超乎想象的計算能力。那是一個(gè)圓柱形的槽，約1.5英寸寬，位于一個(gè)半身雕塑大小的結構底部，這個(gè)結構由各種圓盤(pán)、塊狀物、電線(xiàn)、銅和金堆疊而成。今年秋天，在我拜訪(fǎng)他的前一天，他在這個(gè)圓槽中裝載了一個(gè)實(shí)驗性的超導芯片，上面蝕刻著(zhù)一個(gè)微縮的Google logo，并把這個(gè)裝置降溫到絕對零度以上1/100℃。
為了慶祝測試機器的第一天，Martinis和同事們在一家自釀啤酒館舉辦了一個(gè)他所謂的「小聚會(huì )」，這些同事都來(lái)自于Google在加州圣塔芭芭拉新購置的實(shí)驗室。
如果Martinis的團隊真的造出他們追尋的神奇計算機，必將引發(fā)一場(chǎng)盛大的慶祝。與之相比，這場(chǎng)小聚會(huì )實(shí)在太寒磣。因為，這臺計算機將能駕馭量子力學(xué)在極端環(huán)境(例如超冷芯片)中涌現的奇妙性質(zhì)。它能讓Google的程序員在一杯咖啡的休息時(shí)間內解決一個(gè)現有超級計算機需要幾百萬(wàn)年才能解決的問(wèn)題。Google在普通計算機上開(kāi)發(fā)來(lái)駕駛汽車(chē)或回答問(wèn)題的軟件也將變得更加智能。而Google及其母公司(Alphabet)內部冒出的那些更加前沿的想法(例如救災機器人或以人類(lèi)水平對話(huà)的軟件)可能將變成現實(shí)。
John Martinis已經(jīng)專(zhuān)注研究量子計算機30年，現在，他可能即將造出一臺真正可用的量子計算機。
前人已經(jīng)奠定了量子計算的理論基礎。物理學(xué)家們已經(jīng)能夠造出未來(lái)的量子計算機賴(lài)以存在的基本計算單元，也就是量子比特(qubit)。他們甚至能操控量子比特，使它們聚集成小型的組群。但是，他們還不能造出一臺完全運轉、實(shí)際有用的量子計算機。
Martinis是該領(lǐng)域內的頂尖專(zhuān)家——他在加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校的研究團隊已經(jīng)驗證了某些最可靠的量子比特，并能讓它們運行一些量子計算機運轉所需的代碼。
2014年7月，他對Google說(shuō)，只要有足夠的支持，他團隊的技術(shù)就能迅速達到成熟。Google被說(shuō)服了，并聘用了他。他的新Google實(shí)驗室建立并運作起來(lái)，Martinis認為，他能夠在兩三年內造出一臺小而可用的量子計算機。他說(shuō)，「我們常對彼此說(shuō)，我們正處在孕育量子計算機產(chǎn)業(yè)的過(guò)程中�！�
Google和量子計算就像算法天堂中的一場(chǎng)角逐。常有人說(shuō)，Google對數據有著(zhù)貪得無(wú)厭的饑渴，但Google對量子計算的戰略卻比饑渴更加熱切和上癮——他們想從數據中汲取信息，甚至從中創(chuàng )造出智能。
Google這家公司成立的初衷是商業(yè)化一款排名網(wǎng)頁(yè)的算法，它賴(lài)以生存的經(jīng)濟基礎是售賣(mài)和定位廣告。而最近，Google投入大筆資金來(lái)研發(fā)人工智能(AI)軟件，這些軟件能夠學(xué)習和理解語(yǔ)言或圖像、進(jìn)行基本的推理以及在擁堵路段駕駛汽車(chē)——這些任務(wù)對傳統計算機十分困難，但對量子計算機來(lái)說(shuō)卻是小菜一碟。
Google的CEO桑達爾·皮查伊(Sundar Pichai)最近對投資人說(shuō)：「機器學(xué)習這一具有變革意義的核心技術(shù)將促使我們重新思考我們做所有事情的方式�！筂artinis的新量子產(chǎn)業(yè)的首要任務(wù)就是證明這一點(diǎn)。
筑夢(mèng)者
上周之前，幾年內造出有用的量子計算機的前景似乎還很遙遠。政府、學(xué)術(shù)機構和企業(yè)實(shí)驗室的研究員還遠不能聚集起足夠的量子比特來(lái)建造一臺簡(jiǎn)單的原理驗證機。資金雄厚的加拿大初創(chuàng )公司D-Wave Systems出售了幾臺所謂的「全世界最早的商用量子計算機」，但是多年來(lái)都未能讓業(yè)內專(zhuān)家信服這些機器能完成量子計算機理應完成的任務(wù)。
接著(zhù)，就在上周，NASA(美國宇航局)在加州山景城艾姆斯研究中心的N-258號樓召開(kāi)了新聞發(fā)布會(huì )(N-258號樓是NASA的先進(jìn)超級計算中心所在地。——譯者注)。那里從2013年開(kāi)始就放置著(zhù)Google從D-Wave購買(mǎi)的一臺計算機。在那里，Google建來(lái)用D-Wave計算機做實(shí)驗的量子人工智能實(shí)驗室主任Hartmut Neven公布了一個(gè)真實(shí)的證據，證明它能提供量子計算機允諾的計算能力。在一個(gè)設計嚴格的測試中，D-Wave計算機中被稱(chēng)為量子退火機(quantum annealer)的超導芯片比傳統處理器快了1億倍。
然而，這種優(yōu)勢需要在實(shí)際的計算任務(wù)中實(shí)現，而不僅僅是有目的的測試。Neven是一個(gè)健談的機器學(xué)習專(zhuān)家，他說(shuō)：「我們需要讓它把工程師辦公桌上的實(shí)際問(wèn)題變得更簡(jiǎn)單，并把它放入計算機�！惯@就是Martinis進(jìn)入的領(lǐng)域。Neven認為D-Wave的量子退火機不會(huì )很快準備好為Google工程師服務(wù)，因此他雇傭了Martinis來(lái)干這活。Neven說(shuō)：「很明顯，我們不能只是一味的等待。為了達到一個(gè)真正的技術(shù)，我們需要克服一大串的問(wèn)題�！顾f(shuō)D-Wave芯片上的量子比特太不靠譜，連接起來(lái)的厚度也不夠。(D-Wave的CEO Vern Brownell回應說(shuō)他不擔心來(lái)自Google的競爭。)
Google面臨的競爭對手不僅有來(lái)自D-Wave的進(jìn)展，還有微軟與IBM，因為他們也擁有許多量子計算的項目。但是這些公司都更加關(guān)注設計，而不是讓它們變得更實(shí)用。實(shí)際上，一個(gè)關(guān)于Google項目的大致時(shí)間線(xiàn)估計，最快到2017年，Martinis的團隊就能用100個(gè)量子比特制造一個(gè)量子退火機。D-Wave最新的芯片已經(jīng)有1097個(gè)量子比特，但是Neven說(shuō)一個(gè)高質(zhì)量芯片或許可用更少的量子比特就能完成一些任務(wù)。一個(gè)量子退火機只能運行一個(gè)特定的算法，但是，它碰巧非常適合Google最關(guān)心的領(lǐng)域。麻省理工學(xué)院(MIT)林肯實(shí)驗室的高級職員William Oliver研究了量子計算的潛力，他說(shuō)這種應用可能非常有利于模式識別和機器學(xué)習。
John Martinis今年57歲，對解開(kāi)量子物理研究復雜的鏈條、使其成為一個(gè)嶄新的工程學(xué)科來(lái)說(shuō)是一個(gè)完美的人選，他不僅能夠潛心研究難懂的數學(xué)，還特別喜歡建造東西。操縱哪怕僅一個(gè)量子比特都是一個(gè)難題，因為這要涉及到量子理論、固態(tài)物理學(xué)、材料科學(xué)、精密加工、機械設計和傳統電子業(yè)的組合。
Martinis個(gè)子高高的，有著(zhù)親善的嗓音，大家公認他個(gè)人已經(jīng)掌握了上述每塊理論和技術(shù)實(shí)施。在帶我們參觀(guān)他的新Google實(shí)驗室時(shí)，不管是面對傳統車(chē)間區域的新烙鐵和機械工具，還是面對冷卻和運算芯片的復雜設備，他都興奮不已。他說(shuō)：「我認為這很有趣。我能完成別人無(wú)法做到的實(shí)驗，是因為我能建造我自己的電子設備�！�
Martinis和他的團隊必須掌握許多技術(shù)，因為量子比特是如此變化多端。它們可以用多種不同的方法實(shí)現——Martinis的方法是用微電流來(lái)冷卻鋁環(huán)直至它們變成超導體。但不管采用什么方法，它們表示數據的方法都是微妙的量子狀態(tài)，這種狀態(tài)極易被熱量和電磁噪聲扭曲或破壞，并將計算破壞殆盡。
量子比特用它們脆弱的物理性質(zhì)所做的事，正相當于傳統芯片上的晶體管用電流完成的事——也就是用0和1的二進(jìn)制來(lái)表示信息。但是，量子比特還有一種稱(chēng)為疊加態(tài)的狀態(tài)，能同時(shí)表示0和1。處于疊加態(tài)的量子比特還能以一種叫做量子糾纏的現象相互聯(lián)系，也就是說(shuō)一個(gè)量子比特的行為能瞬間影響到另一個(gè)量子比特。有了這些效應，量子計算機中的單個(gè)運算就完成傳統計算機中很多很多運算才能完成的任務(wù)。在某些情況下，隨著(zhù)處理數據量的增加，量子計算機比傳統計算機的優(yōu)勢會(huì )實(shí)現指數級的增長(cháng)。
無(wú)法保持量子比特的穩定狀態(tài)正是我們尚未造出量子計算機的原因。但是，Martinis已經(jīng)在此問(wèn)題上研究了11年，他認為他已經(jīng)接近答案了。他的量子比特的退相干時(shí)間(也就是量子比特保持疊加態(tài)的時(shí)長(cháng))是幾十微秒——比D-Wave芯片的數據高1萬(wàn)倍。
Martinis對他們團隊的硬件很有信心。這種信心甚至讓他認為除了量子退火機以外，他還能為Google建造出其他形式的量子計算機，甚至比量子退火機還更強大。它將被稱(chēng)為通用量子計算機(universal quantum computer)，可被編程來(lái)處理任何問(wèn)題，而不僅僅是一種數學(xué)問(wèn)題。實(shí)際上，人們對這種方法背后的理論比量子退火機了解得更多，一部分是因為花費在量子計算研究上的大多數時(shí)間和金錢(qián)都用在了通用量子計算上。但是量子比特的可靠性還不夠高，不足以將該理論轉化成切實(shí)可行的通用量子計算機。
直到三月，Martinis和他的團隊首次論證了位于通用量子計算機所需的可靠閾值之上的量子比特。他們讓一個(gè)有9個(gè)量子比特的芯片運行了一個(gè)稱(chēng)為 surface code的錯誤檢驗程序，該程序對量子計算機的運行十分必要(IBM已經(jīng)能讓部分 surface code在4個(gè)量子比特上運行)。Martinis說(shuō)：「我認為，我們對這種技術(shù)的驗證已經(jīng)到達了能夠按比例放大的程度。這次是來(lái)真的�！�
Martinis的目標是大約2年內，在他推出Google新量子退火機的同時(shí)，也完成一臺完全的通用量子計算機。那將會(huì )成為計算機科學(xué)領(lǐng)域的里程碑，但它不可能立即幫到Google的程序員。在威斯康辛州大學(xué)領(lǐng)導量子計算研究團隊的Robert McDermott說(shuō)，由于surface code的復雜性，即使一個(gè)有著(zhù)100個(gè)量子比特的芯片能運行錯誤檢驗程序，但它不能完成任何額外的工作。然而Martinis認為，一旦他能提高量子比特的可靠性，在通用量子芯片上實(shí)現100個(gè)量子比特，就能打開(kāi)通往更多量子比特的大門(mén)。他說(shuō)：「這是我們擅長(cháng)的事。盡管保持相干很困難，但是按比例擴大卻很容易�！�
機器學(xué)習是愚蠢的算法嗎?
當Martinis解釋為什么Google需要他的技術(shù)時(shí)，他對于人工智能領(lǐng)域的工作者們毫不留情：「機器學(xué)習算法真的是一種愚蠢的做法，」他的話(huà)語(yǔ)中帶有一絲懷疑，「(機器學(xué)習算法的實(shí)現)需要學(xué)習太多的范例�！�
事實(shí)上，Google和其他計算機公司所使用的機器學(xué)習技術(shù)與人類(lèi)或動(dòng)物學(xué)習新技能或知識的方式相比是可悲的。教會(huì )一個(gè)軟件某種新的技能，比如，如何在照片中識別出汽車(chē)和貓，通常需要成千上萬(wàn)張精心挑選并注有標簽的范例圖片。盡管一種稱(chēng)為深度學(xué)習的技術(shù)最近在軟件通過(guò)學(xué)習來(lái)詮釋圖像和語(yǔ)句的準確度方面有了顯著(zhù)的進(jìn)步，但若是要學(xué)習更復雜的才能，比如理解語(yǔ)言中的細微差別等，仍然超出了機器的能力范圍。
Martinis的芯片如何才能使Google的軟件變得不那么愚蠢?弄清這件事的任務(wù)落到了Neven身上。他認為量子比特的驚人力量將縮小機器學(xué)習和真實(shí)生物學(xué)習之間的差距——并且重塑人工智能這個(gè)領(lǐng)域。他說(shuō)，「機器學(xué)習將轉變?yōu)榱孔訉W(xué)習�！惯@可能意味著(zhù)軟件可以從混亂的數據，或是較少的數據，甚至是在沒(méi)有明確指示的情況下進(jìn)行學(xué)習。例如，Google的研究人員已經(jīng)設計了一種算法，通過(guò)應用該種算法，他們認為即使在多達一半的范例數據被錯誤標記的情況下仍然可以讓機器學(xué)習軟件習得某種新的技能。Neven若有所思地說(shuō)，這種計算能力可能是突破當今人類(lèi)所能賦予計算機的能力上限的關(guān)鍵。 「人們都在談?wù)撐覀兡芊駥?shí)現富有創(chuàng )造力的機器——我們能夠建立的最富有創(chuàng )造力的系統將會(huì )是量子人工智能系統」他說(shuō)。
更現實(shí)地來(lái)看，在目前僅僅只有D-Wave的機器可供操作的情況下，Google的研究人員能做的只是推測他們應用Martinis制作的芯片之后，能真正實(shí)現或者應該去實(shí)現的究竟是些什么。即便他們開(kāi)始著(zhù)手實(shí)踐，也需要時(shí)間來(lái)創(chuàng )造和構建操作大量外設所需的基礎設施，之后才能真正對Google的商業(yè)業(yè)務(wù)有實(shí)質(zhì)性的貢獻。
Neven堅信，Google的量子工匠以及他的團隊可以順利地通過(guò)這些考驗。他設想在不遠的將來(lái)，成排的超導芯片在為Google工程師們接入互聯(lián)網(wǎng)所建立的數據中心里一字排開(kāi)。他說(shuō)，「我預測，在10年內最后只會(huì )剩下量子機器學(xué)習——你再也不用傳統的方式來(lái)工作了�！姑鎺θ莸腗artinis謹慎地接受這一愿景�！肝蚁矚g這一點(diǎn)，但實(shí)現它挺難的，」他說(shuō)， 「他(Neven)可以用嘴說(shuō)，但我必須建立并實(shí)現這一想法�！�
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