大咖 | 姚期智:崛起中的量子計算

大資料文摘發表於2018-12-24

大咖 | 姚期智:崛起中的量子計算

大資料文摘授權轉載自微軟研究院AI頭條

在“二十一世紀的計算”大會上,圖靈獎得主、清華大學交叉資訊研究院教授兼院長姚期智做了題為“崛起中的量子計算”的主旨演講。他從量子計算的歷史和概念入手,為我們解釋了量子計算機強大的原因以及目前的研究進展。未來,“量子計算+AI”將是新的時代主題,二者的結合也將綻放出新的火花。

姚期智教授在“二十一世紀的計算”大會上的演講影片☟

儘管量子計算已經被談論了很多年,很多電腦科學家仍然覺得它是一個非常神秘的事情。但在未來計算機領域,量子計算將是最令人興奮的發展之一。什麼是量子計算?它為什麼如此令人興奮?它比傳統計算機又強大在哪裡?今天,我們一起來了解一下崛起中的量子計算。


大咖 | 姚期智:崛起中的量子計算

圖靈獎得主、清華大學交叉資訊研究院教授兼院長姚期智

什麼是量子計算?

當圖靈和其他計算機探索者在研究計算機的時候,人們覺得自己已經知道計算的極限是什麼了。但在1981年,物理學家理查德·費曼提出了一個問題“計算機能否有效地模擬量子物理系統?”

如果使用經典計算機來模擬,需要數百萬年才能完成模擬。但是如果拋開傳統的計算機原理,使用量子材料,或許可以創造出一種新的計算機,獲得一種新的計算模式。這就是量子計算機。

有別於經典計算機使用二進位制位元作為輸入,量子計算機輸入的是量子位元,可以表示經典的0、1狀態,也可以表示更多的狀態。量子裝置是一種模擬裝置。對於傳統計算,輸出的結果就是最後的數字,而在使用量子裝置做計算的時候,需要對輸出結果進行專門的測量,最後才能得到輸出。

大咖 | 姚期智:崛起中的量子計算

傳統計算機和量子計算機的執行方式也不同。傳統計算機中的主要計算方式是使用布林運算操作普通位元,而量子計算機是在量子空間裡對量子位元進行模擬操作,來模擬量子狀態。

什麼使得量子計算如此強大?

在量子世界裡,由於量子位元的量子疊加態特性,量子計算機擁有了平行計算的能力。

那麼量子計算到底有多強大呢?舉個例子,如果我們對四百位整數進行因式分解,現在最快的超級計算機也需要六十萬年,如果是做量子計算機,只需要幾個小時,甚至有人說幾分鐘就可以做到。當然,量子計算機能做的不僅僅是整數的因式分解,我們希望能夠做出大型的量子計算機,解決很多現在做不了的事情,比如密碼破解,模擬量子物理系統,模擬材料學、化學和生物學,以及人工智慧中的很多問題。

那麼,量子計算機究竟是如何加速計算的?

這個問題可以透過介紹由Peter Shor發明的大數分解量子演算法來解釋。首先,我們需要回到物理學的一個分支-X射線晶體學,透過X射線來分析物體的結構。1913年,Braggs父子推匯出了X射線的衍射現象的數學公式。假設有一個未知結構的晶體,你從各個角度對這個晶體拍攝了一些x射線照片,現在根據數學公式,你可以恢復出晶體的結構。這個方法是非常成功的,由此產生了許多諾貝爾獎。

大咖 | 姚期智:崛起中的量子計算

我們是否可以藉助於這一方法來分析一個整數N?利用演算法構建一個“晶體”,然後利用人工光源,例如X射線,去照射它,得到“晶體”的衍射圖,最後用得到的衍射圖分析出整數N的“結構”。現在問題是這個“晶體”以及得到的“衍射圖”體積非常巨大。事實上,我們其實並不需要整張圖片,只需要幾個樣本點就夠了,並不需要指數級的樣本數。那麼如何去進行取樣?根據光子的波粒二象性,一個光子透過裝置後的機率分佈將與經典情形相同。因此,我們只需要模擬一個光子透過“晶體”產生的衍射圖。與經典計算機相比,量子計算機可以以指數級的效率完成這個模擬過程,比傳統的計算機快非常多倍。

量子計算最新研究進展

20年前,有一些物理學家可能會說量子計算機永遠無法實現,而20年後的今年,量子計算機已經逐漸浮出水面。例如,關於使用什麼東西做量子處理器的問題。20年前,大家說有20種方式做量子計算機,而現在人們已經發現只有幾個選項是潛力比較大的,比如超導量子位元、離子位元、鑽石量子位元、拓撲量子位元,它們很有可能成為未來做量子計算機的路徑。

大咖 | 姚期智:崛起中的量子計算所有的技術方案都有自己的長處和不足。比如,金剛石量子計算機可以在室溫下工作並且擁有固態的晶體結構,容易進行擴充套件;超導方案目前在可操作的量子位元數上方面是領先的,但是必須在低溫環境下工作;拓撲方案有更好的糾錯能力,但是目前進展比較緩慢。

目前,量子計算已經成為了一個主流研究方向,學界對這一領域的相關獎勵機制也越來越健全,不久的將來我們能看到很多聰慧的科學家在這個領域鑽研深耕。但是同時,量子計算的發展在每一個階段都是非常困難的,想要增加量子位元數需要耗費大量的心血和時間。

為什麼量子計算對未來如此重要?在過去的一個世紀,計算機硬體領域有很多的進展,而量子計算的出現使得計算機在非常基礎的層面也可以有很多創新。不僅是硬體領域,AI也是量子計算關注的重點。現在的面部識別機器已經在某些方面超越了人類,量子計算雖然不能全面地和人類匹敵,但也可以在某些方面一較高下。

因為量子計算的出現,我們最終可以去預測未來。至少根據目前的理解,一旦擁有了量子計算機,人們就能掌握自然中最神秘的部分。可以將自然作為基準,看看我們和自然之間到底有多大的差距。

總而言之,量子計算機是一個革命式的產品,它和傳統計算機完全不同,未來我們還會經歷一個非常困難的時期。在未來,量子計算將產生巨大的影響,我們完全有理由說未來“量子計算+AI”將成為新的時代主題。這兩大主題的交織下又將產生什麼新的應用,讓我們拭目以待!

來自 “ ITPUB部落格 ” ,連結:http://blog.itpub.net/31562039/viewspace-2286245/,如需轉載,請註明出處,否則將追究法律責任。

相關文章