量子计算机将是“未来大脑”吗
量子计算机内部构造。本月,美国国会新通过的一项法案引发了科技界的震动,这项《国家量子倡议法案》授权美国政府在未来十年内大量增加对量子计算机项目的研发拨款,以期在该项目上追赶处于领先地位的中国。有美国媒体认为,这是一场科技竞赛,成败将影响未来的国际格局。那么,量子计算机究竟有何神奇之处,能够如此受重视呢?
本报记者王昱
量子计算机技术备受重视
“中国在量子计算上押下了重注,美国从现在起开始奋力追赶,但愿不算太晚。”据报道,当地时间9月13日,美国国会众议院共和党和民主党罕见达成一致,通过了《国家量子倡议法案》法案。
该法案涉及量子计算机、通信与网络安全、传感器与成像技术以及材料科学等技术领域。法案还计划向美国国家标准与技术研究院(NIST,直属商务部)拨款4亿美元,给能源部拨款6.25亿美元,给美国国家科学基金会拨款2.5亿美元。这些资金将用于培养科学家、拓展研究和建立多达10个量子研究与教育中心。
法案通过后,美国媒体9月14日分析称,这项法案成功通过的主要原因是由于美国感受到了来自中国的压力。“量子可能是未来100年里的计算技术,”英特尔量子硬件总监吉姆·克拉克表示。
近年来,我国为了争夺全球量子技术制高点,已经不断加大投入。据此前报道,去年9月有消息称,中国正在建设世界上最大的量子研究设施——量子信息科学国家实验室。到了本月,第一财经最新消息指出,中国正筹建的这个国家实验室涉及多地,长期投资将达千亿元人民币。
而在美国,此前的研发则更多局限于企业,英特尔、谷歌和IBM等美国企业的确都在研发量子技术,但从全球来看,中国在人力、物力、财力等方面的投资都非常突出。代表美国量子技术制造商进行游说的量子产业联盟的创始人保罗·施蒂默斯说:“中国拥有一颗量子卫星,而其他国家没有；中国有一个通讯网络,其他国家没有；中国拥有一个人力开发计划,可以培养出新的量子工程师。”
本次新法案的通过,无疑意味着美国也开始将量子计算机的研发列为国家项目。美国知名新媒体Axios9月14日对此评论说:“在中美争夺人工智能领域主导地位之际,两国又陷入了一场平行的、幕后的量子技术竞赛,这场竞赛可能会带来持久的军事优势,并可能引发一场新的工业革命。”
“未来大脑”何以神奇
中国在量子计算机这一项技术上有所领先,让美国如此紧张。这是否有些小题大做呢?其实并不。
这是因为,人类技术的进步史,从某种意义上说也是计算能力的进化史。
人类学家曾在太平洋上的一些小岛上发现过一些原始部落,由于只会加减却不会乘除,其技术水平一直被锁定在一个极低的层次上。而自文明诞生以来,整个农业社会到工业社会前中期,依靠人力进行的计算也曾成为当时技术发展的天花板。
从这个意义上说,诞生于20世纪中期的电子计算机对人类技术是一次解放和飞越。但从此以后,虽然计算机的原件从电子管发展到晶体管,又出现了集成电路,但计算机的基础原理却从未改变过。从原理上说,所有传统电子计算机都是由上千万个“开关”组成的,开代表1,关代表0。这种简单的二进制,帮助计算机完成了无数复杂的数量或逻辑运算。
然而,当这些“开关”被越做越小、小到一定程度时,量子物理中随机性的“魔鬼”开始对其产生干扰。在量子尺度下,电子依然有概率能通过那些关闭的开关,且在没有观测者时,它将处于即通过又没通过的“叠加状态”,也就是说它在未观测时同时是0和1。这就为传统计算机的“细化”设定了一个下线,于是我们看到“摩尔定律”失效了,而超级计算机不得不越做越大,以满足运算需求。
如此说来,量子物理本来应当是阻碍计算机发展的“天敌”。但聪明的物理学家们很快想到了“化敌为友”的方法,这就是量子计算机。量子计算机巧妙地利用了量子的“叠加状态”,采取并行计算的方式,从而指数倍的提高计算效率。
这样说可能太生涩了。做个比喻,假设计算好比一次探路游戏,传统计算机的运算方式是将所有可能的路径依次走一遍,最终“试”出能走通的那条路。而量子计算机由于有“叠加状态”这个法宝,可以同时尝试每一条岔路,最终找到正确的解,这就是“并行计算”。
而且你可以很自然地想到,岔路越多、计算量越大,这种并行计算的优势就越明显。当“岔路”只有两条时,量子计算机只比传统计算机快两倍,“岔路”有16条时,则快16倍。有2的n次方条,则快2的n次方倍。这就是为什么媒体会说“使用亿亿次的天河二号超级计算机求解超级方程组,天河二号需要100年,而万亿次量子计算机只需0.01秒。”——越是超大型的求解运算,量子计算机的优势越明显。
由此可见,量子计算机技术如果真的能成熟,它给人类计算能力带来的将是一次飞跃。因为它运用的是一种人类之前从未使用过的算法,这就像教会太平洋小岛上的人乘除运算,或者给中世纪古人一台个人电脑并让他们弄懂二进制,其意义将具有革命性。
想用于打游戏得是一百年后的事
然而,在明了量子计算机基础原理后,你也会发现它也存在其局限性,并且离真正实用化还有着相当距离。
首先,想让量子计算机代替传统计算机走入寻常百姓家,这至少在短期内是不可能的。因为目前量子计算机所擅长的领域十分有限,比如超大规模计算。而这在我们日常生活中是很难用到的。量子计算机即便实现,恐怕也将率先用于军事密码破译、模拟核爆炸、模拟化学反应等等听上去就很“高大上”的科研、军工领域。想用量子计算机打游戏,那估计得是一百年后的事情。
其次,虽然理论上可行,实验室也初步获得成功,但离真正用于实用尚有距离。在学术圈中,量子计算机是“科学家美梦,工程师噩梦”的说法已广为人知,理论上可行,未必意味着实践中能做到。
前几年美国IBM公司曾吹过一个牛,说该公司到2017年底就能“完成量子霸权“(即在世纪运行中证明量子计算机优于传统计算机),结果沦为业内笑柄。目前,各大公司和研究机构仍在提升量子计算机的比特量,争取几十个量子的稳定,别太快塌陷。有些机器让环境接近绝对零度,避免干扰量子,成本高达上千万美元。工程实验机在进步,但距离实用还远。
那么,对于这种“前途光明,道路曲折”的计算机,中美为何都不吝重金投入研究。这其实是因为双方都惧怕自己在该方向上出现“技术盲区”。正因为目前量子计算机何时能够实用化,实用化后究竟能起到什么作用等问题都未完全明确。各大国,尤其是美国,更加害怕其他国家一旦在该技术上实现突破,将对自身优势产生颠覆性威胁。在这种情况下,大国最稳妥的博弈方式当然是与竞争对手保持同步,你投入多少、我也同步跟进,确保双方实力均衡。
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