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從谷歌來看看量子計(jì)算機(jī)應(yīng)用的歷程
近日，谷歌宣布他們的量子計(jì)算機(jī)比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)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)大家來看看背后的故事吧、
Martini團(tuán)隊(duì)追尋的神奇計(jì)算機(jī)
John Martinis用老花鏡腿指向幾年后即將造出新型計(jì)算機(jī)的地方，這種新型計(jì)算機(jī)將擁有超乎想象的計(jì)算能力。那是一個圓柱形的槽，約1.5英寸寬，位于一個半身雕塑大小的結(jié)構(gòu)底部，這個結(jié)構(gòu)由各種圓盤、塊狀物、電線、銅和金堆疊而成。今年秋天，在我拜訪他的前一天，他在這個圓槽中裝載了一個實(shí)驗(yàn)性的超導(dǎo)芯片，上面蝕刻著一個微縮的Google logo，并把這個裝置降溫到絕對零度以上1/100℃。
為了慶祝測試機(jī)器的第一天，Martinis和同事們在一家自釀啤酒館舉辦了一個他所謂的「小聚會」，這些同事都來自于Google在加州圣塔芭芭拉新購置的實(shí)驗(yàn)室。
如果Martinis的團(tuán)隊(duì)真的造出他們追尋的神奇計(jì)算機(jī)，必將引發(fā)一場盛大的慶祝。與之相比，這場小聚會實(shí)在太寒磣。因?yàn)�，這臺計(jì)算機(jī)將能駕馭量子力學(xué)在極端環(huán)境(例如超冷芯片)中涌現(xiàn)的奇妙性質(zhì)。它能讓Google的程序員在一杯咖啡的休息時間內(nèi)解決一個現(xiàn)有超級計(jì)算機(jī)需要幾百萬年才能解決的問題。Google在普通計(jì)算機(jī)上開發(fā)來駕駛汽車或回答問題的軟件也將變得更加智能。而Google及其母公司(Alphabet)內(nèi)部冒出的那些更加前沿的想法(例如救災(zāi)機(jī)器人或以人類水平對話的軟件)可能將變成現(xiàn)實(shí)。
John Martinis已經(jīng)專注研究量子計(jì)算機(jī)30年，現(xiàn)在，他可能即將造出一臺真正可用的量子計(jì)算機(jī)。
前人已經(jīng)奠定了量子計(jì)算的理論基礎(chǔ)。物理學(xué)家們已經(jīng)能夠造出未來的量子計(jì)算機(jī)賴以存在的基本計(jì)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(yùn)轉(zhuǎn)、實(shí)際有用的量子計(jì)算機(jī)。
Martinis是該領(lǐng)域內(nèi)的頂尖專家——他在加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)驗(yàn)證了某些最可靠的量子比特，并能讓它們運(yùn)行一些量子計(jì)算機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所需的代碼。
2014年7月，他對Google說，只要有足夠的支持，他團(tuán)隊(duì)的技術(shù)就能迅速達(dá)到成熟。Google被說服了，并聘用了他。他的新Google實(shí)驗(yàn)室建立并運(yùn)作起來，Martinis認(rèn)為，他能夠在兩三年內(nèi)造出一臺小而可用的量子計(jì)算機(jī)。他說，「我們常對彼此說，我們正處在孕育量子計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的過程中�！�
Google和量子計(jì)算就像算法天堂中的一場角逐。常有人說，Google對數(shù)據(jù)有著貪得無厭的饑渴，但Google對量子計(jì)算的戰(zhàn)略卻比饑渴更加熱切和上癮——他們想從數(shù)據(jù)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)頁的算法，它賴以生存的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)是售賣和定位廣告。而最近，Google投入大筆資金來研發(fā)人工智能(AI)軟件，這些軟件能夠?qū)W習(xí)和理解語言或圖像、進(jìn)行基本的推理以及在擁堵路段駕駛汽車——這些任務(wù)對傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)十分困難，但對量子計(jì)算機(jī)來說卻是小菜一碟。
Google的CEO桑達(dá)爾·皮查伊(Sundar Pichai)最近對投資人說：「機(jī)器學(xué)習(xí)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)。
筑夢者
上周之前，幾年內(nèi)造出有用的量子計(jì)算機(jī)的前景似乎還很遙遠(yuǎn)。政府、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和企業(yè)實(shí)驗(yàn)室的研究員還遠(yuǎn)不能聚集起足夠的量子比特來建造一臺簡單的原理驗(yàn)證機(jī)。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(jì)算機(jī)」，但是多年來都未能讓業(yè)內(nèi)專家信服這些機(jī)器能完成量子計(jì)算機(jī)理應(yīng)完成的任務(wù)。
接著，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號樓召開了新聞發(fā)布會(N-258號樓是NASA的先進(jìn)超級計(jì)算中心所在地。——譯者注)。那里從2013年開始就放置著Google從D-Wave購買的一臺計(jì)算機(jī)。在那里，Google建來用D-Wave計(jì)算機(jī)做實(shí)驗(yàn)的量子人工智能實(shí)驗(yàn)室主任Hartmut Neven公布了一個真實(shí)的證據(jù)，證明它能提供量子計(jì)算機(jī)允諾的計(jì)算能力。在一個設(shè)計(jì)嚴(yán)格的測試中，D-Wave計(jì)算機(jī)中被稱為量子退火機(jī)(quantum annealer)的超導(dǎo)芯片比傳統(tǒng)處理器快了1億倍。
然而，這種優(yōu)勢需要在實(shí)際的計(jì)算任務(wù)中實(shí)現(xiàn)，而不僅僅是有目的的測試。Neven是一個健談的機(jī)器學(xué)習(xí)專家，他說：「我們需要讓它把工程師辦公桌上的實(shí)際問題變得更簡單，并把它放入計(jì)算機(jī)�！惯@就是Martinis進(jìn)入的領(lǐng)域。Neven認(rèn)為D-Wave的量子退火機(jī)不會很快準(zhǔn)備好為Google工程師服務(wù)，因此他雇傭了Martinis來干這活。Neven說：「很明顯，我們不能只是一味的等待。為了達(dá)到一個真正的技術(shù)，我們需要克服一大串的問題�！顾fD-Wave芯片上的量子比特太不靠譜，連接起來的厚度也不夠。(D-Wave的CEO Vern Brownell回應(yīng)說他不擔(dān)心來自Google的競爭。)
Google面臨的競爭對手不僅有來自D-Wave的進(jìn)展，還有微軟與IBM，因?yàn)樗麄円矒碛性S多量子計(jì)算的項(xiàng)目。但是這些公司都更加關(guān)注設(shè)計(jì)，而不是讓它們變得更實(shí)用。實(shí)際上，一個關(guān)于Google項(xiàng)目的大致時間線估計(jì)，最快到2017年，Martinis的團(tuán)隊(duì)就能用100個量子比特制造一個量子退火機(jī)。D-Wave最新的芯片已經(jīng)有1097個量子比特，但是Neven說一個高質(zhì)量芯片或許可用更少的量子比特就能完成一些任務(wù)。一個量子退火機(jī)只能運(yùn)行一個特定的算法，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(yàn)室的高級職員William Oliver研究了量子計(jì)算的潛力，他說這種應(yīng)用可能非常有利于模式識別和機(jī)器學(xué)習(xí)。
John Martinis今年57歲，對解開量子物理研究復(fù)雜的鏈條、使其成為一個嶄新的工程學(xué)科來說是一個完美的人選，他不僅能夠潛心研究難懂的數(shù)學(xué)，還特別喜歡建造東西。操縱哪怕僅一個量子比特都是一個難題，因?yàn)檫@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(jī)械設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)電子業(yè)的組合。
Martinis個子高高的，有著親善的嗓音，大家公認(rèn)他個人已經(jīng)掌握了上述每塊理論和技術(shù)實(shí)施。在帶我們參觀他的新Google實(shí)驗(yàn)室時，不管是面對傳統(tǒng)車間區(qū)域的新烙鐵和機(jī)械工具，還是面對冷卻和運(yùn)算芯片的復(fù)雜設(shè)備，他都興奮不已。他說：「我認(rèn)為這很有趣。我能完成別人無法做到的實(shí)驗(yàn)，是因?yàn)槲夷芙ㄔ煳易约旱碾娮釉O(shè)備。」
Martinis和他的團(tuán)隊(duì)必須掌握許多技術(shù)，因?yàn)榱孔颖忍厥侨绱俗兓喽�。它們可以用多種不同的方法實(shí)現(xiàn)——Martinis的方法是用微電流來冷卻鋁環(huán)直至它們變成超導(dǎo)體。但不管采用什么方法，它們表示數(shù)據(jù)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(jì)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(dāng)于傳統(tǒng)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)制來表示信息。但是，量子比特還有一種稱為疊加態(tài)的狀態(tài)，能同時表示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(xiàn)象相互聯(lián)系，也就是說一個量子比特的行為能瞬間影響到另一個量子比特。有了這些效應(yīng)，量子計(jì)算機(jī)中的單個運(yùn)算就完成傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中很多很多運(yùn)算才能完成的任務(wù)。在某些情況下，隨著處理數(shù)據(jù)量的增加，量子計(jì)算機(jī)比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢會實(shí)現(xiàn)指數(shù)級的增長。
無法保持量子比特的穩(wěn)定狀態(tài)正是我們尚未造出量子計(jì)算機(jī)的原因。但是，Martinis已經(jīng)在此問題上研究了11年，他認(rèn)為他已經(jīng)接近答案了。他的量子比特的退相干時間(也就是量子比特保持疊加態(tài)的時長)是幾十微秒——比D-Wave芯片的數(shù)據(jù)高1萬倍。
Martinis對他們團(tuán)隊(duì)的硬件很有信心。這種信心甚至讓他認(rèn)為除了量子退火機(jī)以外，他還能為Google建造出其他形式的量子計(jì)算機(jī)，甚至比量子退火機(jī)還更強(qiáng)大。它將被稱為通用量子計(jì)算機(jī)(universal quantum computer)，可被編程來處理任何問題，而不僅僅是一種數(shù)學(xué)問題。實(shí)際上，人們對這種方法背后的理論比量子退火機(jī)了解得更多，一部分是因?yàn)榛ㄙM(fèi)在量子計(jì)算研究上的大多數(shù)時間和金錢都用在了通用量子計(jì)算上。但是量子比特的可靠性還不夠高，不足以將該理論轉(zhuǎn)化成切實(shí)可行的通用量子計(jì)算機(jī)。
直到三月，Martinis和他的團(tuán)隊(duì)首次論證了位于通用量子計(jì)算機(jī)所需的可靠閾值之上的量子比特。他們讓一個有9個量子比特的芯片運(yùn)行了一個稱為 surface code的錯誤檢驗(yàn)程序，該程序?qū)α孔佑?jì)算機(jī)的運(yùn)行十分必要(IBM已經(jīng)能讓部分 surface code在4個量子比特上運(yùn)行)。Martinis說：「我認(rèn)為，我們對這種技術(shù)的驗(yàn)證已經(jīng)到達(dá)了能夠按比例放大的程度。這次是來真的�！�
Martinis的目標(biāo)是大約2年內(nèi)，在他推出Google新量子退火機(jī)的同時，也完成一臺完全的通用量子計(jì)算機(jī)。那將會成為計(jì)算機(jī)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(dǎo)量子計(jì)算研究團(tuán)隊(duì)的Robert McDermott說，由于surface code的復(fù)雜性，即使一個有著100個量子比特的芯片能運(yùn)行錯誤檢驗(yàn)程序，但它不能完成任何額外的工作。然而Martinis認(rèn)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(xiàn)100個量子比特，就能打開通往更多量子比特的大門。他說：「這是我們擅長的事。盡管保持相干很困難，但是按比例擴(kuò)大卻很容易。」
機(jī)器學(xué)習(xí)是愚蠢的算法嗎?
當(dāng)Martinis解釋為什么Google需要他的技術(shù)時，他對于人工智能領(lǐng)域的工作者們毫不留情：「機(jī)器學(xué)習(xí)算法真的是一種愚蠢的做法，」他的話語中帶有一絲懷疑，「(機(jī)器學(xué)習(xí)算法的實(shí)現(xiàn))需要學(xué)習(xí)太多的范例�！�
事實(shí)上，Google和其他計(jì)算機(jī)公司所使用的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)與人類或動物學(xué)習(xí)新技能或知識的方式相比是可悲的。教會一個軟件某種新的技能，比如，如何在照片中識別出汽車和貓，通常需要成千上萬張精心挑選并注有標(biāo)簽的范例圖片。盡管一種稱為深度學(xué)習(xí)的技術(shù)最近在軟件通過學(xué)習(xí)來詮釋圖像和語句的準(zhǔn)確度方面有了顯著的進(jìn)步，但若是要學(xué)習(xí)更復(fù)雜的才能，比如理解語言中的細(xì)微差別等，仍然超出了機(jī)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(rèn)為量子比特的驚人力量將縮小機(jī)器學(xué)習(xí)和真實(shí)生物學(xué)習(xí)之間的差距——并且重塑人工智能這個領(lǐng)域。他說，「機(jī)器學(xué)習(xí)將轉(zhuǎn)變?yōu)榱孔訉W(xué)習(xí)�！惯@可能意味著軟件可以從混亂的數(shù)據(jù)，或是較少的數(shù)據(jù)，甚至是在沒有明確指示的情況下進(jìn)行學(xué)習(xí)。例如，Google的研究人員已經(jīng)設(shè)計(jì)了一種算法，通過應(yīng)用該種算法，他們認(rèn)為即使在多達(dá)一半的范例數(shù)據(jù)被錯誤標(biāo)記的情況下仍然可以讓機(jī)器學(xué)習(xí)軟件習(xí)得某種新的技能。Neven若有所思地說，這種計(jì)算能力可能是突破當(dāng)今人類所能賦予計(jì)算機(jī)的能力上限的關(guān)鍵。 「人們都在談?wù)撐覀兡芊駥?shí)現(xiàn)富有創(chuàng)造力的機(jī)器——我們能夠建立的最富有創(chuàng)造力的系統(tǒng)將會是量子人工智能系統(tǒng)」他說。
更現(xiàn)實(shí)地來看，在目前僅僅只有D-Wave的機(jī)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(yīng)用Martinis制作的芯片之后，能真正實(shí)現(xiàn)或者應(yīng)該去實(shí)現(xiàn)的究竟是些什么。即便他們開始著手實(shí)踐，也需要時間來創(chuàng)造和構(gòu)建操作大量外設(shè)所需的基礎(chǔ)設(shè)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(xiàn)。
Neven堅(jiān)信，Google的量子工匠以及他的團(tuán)隊(duì)可以順利地通過這些考驗(yàn)。他設(shè)想在不遠(yuǎn)的將來，成排的超導(dǎo)芯片在為Google工程師們接入互聯(lián)網(wǎng)所建立的數(shù)據(jù)中心里一字排開。他說，「我預(yù)測，在10年內(nèi)最后只會剩下量子機(jī)器學(xué)習(xí)——你再也不用傳統(tǒng)的方式來工作了�！姑鎺θ莸腗artinis謹(jǐn)慎地接受這一愿景。「我喜歡這一點(diǎn)，但實(shí)現(xiàn)它挺難的，」他說， 「他(Neven)可以用嘴說，但我必須建立并實(shí)現(xiàn)這一想法�！�
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