量子計算會“帶來革命性改變”嗎？

編者按：在理論物理學家Richard Feynman提出量子計算概念的50多年後，量子理論正一步步走進現實。量子計算可以讓機器的計算速度呈指數級增加，進而讓解決存在超大資料、無限變數的問題成為可能。量子計算和經典計算的不同在哪裡？它會成為改變未來的革命性技術嗎？本文轉載自《商學院》。

“假設你有一臺量子計算機，你用它來做的第一件事情是什麼？我老闆Michael Freedman（微軟研究院StationQ負責人）的回答是，用它來造一臺更好的量子計算機。”微軟研究院Station Q首席研究員王正漢這樣講述著以他為代表做量子計算研究的科學家們的想法，“人類科技的進步，是對人類能力的一種延伸。量子計算機的用處就是使人們真正瞭解什麼是量子世界。”

 

微軟前首席研究與戰略官Craig Mundie認為，量子計算將給萬物帶來革命性的改變。量子計算有很多實用的好處，因為它能讓科學家在幾分鐘、幾小時內，完成目前最先進的經典計算機用幾十億年才能完成的計算，而這意味著人們可以解答很多之前無解的科學難題。研究人員表示，量子計算最終將被用來解決全球社會面臨的從飢餓、氣候變化到眾多疾病等最棘手的問題。

 

在理論物理學家Richard Feynman提出量子計算概念的50多年後，量子理論正一步步走進現實。

 

王正漢所在的Station Q團隊是微軟研究量子計算的特別“小分隊”，2005年成立。儘管此前微軟很少透露他們在量子計算領域的進展，但其實“量子計算目前的狀況令人驚訝。至少在我們微軟研究院，這是最大的投資領域。”這是微軟全球資深副總裁Peter Lee在一次接受媒體採訪時的表述。隨著“量子計算”逐漸成為巨頭公司的“軍備競賽”，諸如微軟、IBM、谷歌等公司也開始高調加碼和展現各自在量子計算方面的“技術肌肉”，畢竟誰也不想被落下。

 

那麼，我們為什麼需要量子計算？它會成為革命性的改變未來的技術嗎？

量子計算和經典計算的不同

量子計算的計算單元雖然也是位元，但是與經典計算中的位元不同，量子位元（Qubit）可以處於0和1兩種狀態按照任意比例疊加，而且按照量子系統的可疊加性，多個量子位元可以並行處理運算。這樣，量子計算可以執行更加複雜的計算。微軟亞洲研究院資深研究員陳衛介紹，量子計算主要是基於量子物理，在一些方面與普通的經典物理很不一樣，量子計算機跟經典計算機也有一些本質方面的不同。

 

量子有一個“疊加態”，它可以把很多你要計算的事情疊加在一起算。量子計算是一種指數級的加倍，現有的計算機就是並行到10000臺，它的加速也只是10000倍，都無法超越量子平行計算的速度。

 

這就使得量子計算的速度遠超現有的經典計算。“原來傳統計算機，最快的計算機要算百萬年、千萬年的東西，可能到量子計算機幾秒鐘、幾分鐘就能算完。也因此，它帶來的改變可能會是革命性的。”陳衛說。

 

簡單說來，量子計算時代，計算的速度要超越現在的想象。這就讓量子計算運用到解決資料量超大、充滿無限變數、需要非常多的潛在解決方案的行業問題中成了可能。

為什麼需要量子計算

從基因測算到無人駕駛，再到宇宙探索，人類的活動帶來了海量的資料，其中有些資料的處理已經遠遠超過了經典計算機的能力，未來，在挖掘大資料潛在價值的過程中，量子計算將扮演重要角色。

 

微軟認為，拓撲量子計算機最早的用途之一就是幫助人工智慧研究人員利用機器學習，加快訓練演算法的勞動密集型流程。比如，把Cortana數字助理演算法訓練的時間從一個月縮短到一天，這將是人工智慧發展的重大進步。這也只有量子計算能夠實現。

 

王正漢談到，現在的AI、雲端計算最終挑戰的還是能量。如今全世界的資料中心每年要用到的電，不比一個國家消耗的少，未來如果需要大量的資料儲存，用的電量也是不可估計的。量子儲存則是一個方向，至少理論上它是未來一個很重要的方向，可以降低能源消耗、降低儲存成本。

 

量子計算未來主要會應用在複雜的大規模資料處理與計算難題，比如，環境監測領域的氣象預報；醫學領域的基因測序與藥物研發；金融領域的投資大資料分析、預測與風險建模等。

 “量子計算機將會是革命性的，這是毫無疑問的，但也不是萬能的。你可以想象，我們有汽車，但是我們也有火箭，你說是汽車重要還是火箭重要，這很難說。經典計算可能就像汽車那樣沒那麼快，但是它的應用還是很廣泛的；量子計算將來誰也不知道有多廣泛，至少我們現在能看到絕對是很快的。”王正漢坦言。

巨頭企業的軍備賽

當然，眼前的挑戰是，目前世界上並沒有一臺真正意義上的量子計算機出現。這受限於量子本身的不可控性，以及做成量子計算機材料的特殊性。同時，人才的挑戰也擺在眼前，現在並不是每個學校的計算機系都設量子計算專業，史丹佛、MIT這樣的學校也將這一專業主要設在和物理相關的院系。

 

據王正漢介紹，多年來物理學家一直在談論開發量子計算機的可能性，努力開發一個擁有足夠高精確度的有效量子位，以便在開發真正可行的量子計算機中發揮作用。問題在於，量子位非常挑剔。即便是最輕微的擾亂，它們也會“散開”，通俗說來，就是它們不再是可用於計算的物理狀態。

 

但這並不妨礙巨頭企業在量子計算領域的軍備競賽。於是，我們看到，IBM以及一些初創公司已開發並測試了少量量子計算機的基礎構件；谷歌與美國航空航天局及D-Wave公司合資建立了“AI Lab”實驗室；微軟則在今年9月舉辦的Ignite大會上，展示了拓撲量子位以及硬體軟體生態系統方面取得的進展，其中，最重要的就是開發了一套專為量子計算開發者設計的新的程式語言，能夠開發應用軟體，這些技術讓更多開發者可以充分利用量子計算的力量。

 

“各家的路徑有所不同。”陳衛說，“微軟希望能構建一個量子計算的生態和完整的計算平臺基礎設施，做從端到端的技術，比如包括新材料、用於拓撲量子計算的構建塊、軟體和程式語言等等。”

 

不過，現在去評判誰家能勝出並引領，也為時過早。但可以想象，過不了太久，這些已經展開“軍備競賽”的企業，就該展開搶人大戰了。

 

“望遠鏡的發明讓我們可以看得更遠，顯微鏡的發明讓我們可以看得更小。科技進步是我們人類能力的延伸。相信量子計算和量子計算機也一樣，會讓我們看到量子世界。”王正漢說，“也許未來的人們接觸量子計算機就像如今接觸AR一樣容易。”

 

未來會怎樣無人知曉。科學家常說，第一個電晶體剛被髮明時，它的創造者們根本無法想象智慧手機會由此而生。

 

或者，這就是科技最有魅力的所在，難以預測，卻又引人入勝。最終帶來改變世界的能量。

 

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