雖然量子計(jì)算聽(tīng)起來(lái)像是科幻小說(shuō)中的概念,但許多專家認(rèn)為它只是技術(shù)進(jìn)步的下一個(gè)必然步驟。在人工智能 (AI) 占據(jù)所有頭條新聞的同時(shí),各國(guó)也在悄悄投入數(shù)十億美元用于量子研究,每個(gè)國(guó)家都希望成為第一個(gè)量子超級(jí)大國(guó)。
我們采訪了《嬰兒量子計(jì)算》一書的作者 William Hurley (Whurley),他是該領(lǐng)域的一位遠(yuǎn)見(jiàn)卓識(shí)者,他的使命是將量子硬件連接到可以使用它們的組織。
問(wèn):Whurley,你在職業(yè)生涯中做過(guò)很多不同的事情,從早年在 Apple 和 IBM 等科技巨頭公司擔(dān)任工程師,到自己成為一名企業(yè)家。那么,為什么是量子?
答:人們總是在尋找下一個(gè)“范式轉(zhuǎn)變”,但它往往被夸大和夸大了。但就量子計(jì)算而言,事實(shí)并非如此。事實(shí)上,將其稱為范式轉(zhuǎn)變有點(diǎn)輕描淡寫。這是非常前沿的東西,它超級(jí)、超級(jí)酷,它將在很多很多方面改變世界。
問(wèn):首先,我想聽(tīng)聽(tīng)您定義什么是量子計(jì)算會(huì)很有幫助。
答:在基本層面上,想想拋硬幣——在平面上拋硬幣是正面還是反面。如果是正面,就是一個(gè);如果是尾巴,則為零。這就是您可以想到的古典建筑。量子計(jì)算就像拋向空中的硬幣。它處于一、零或兩者的恒定狀態(tài)。我們不知道它是什么,直到我們把它停下來(lái)。關(guān)于量子計(jì)算,你聽(tīng)到的第一件事就是經(jīng)典比特已經(jīng)死了,量子計(jì)算將取代經(jīng)典計(jì)算,它將永遠(yuǎn)改變世界。我認(rèn)為它可能有一天會(huì)做那些事情;但就目前而言,將量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)更多地視為 GPU、云處理器或協(xié)處理器。
問(wèn):那么,量子計(jì)算機(jī)是什么樣子的?我正在設(shè)想一個(gè)機(jī)械臂拋硬幣!
答:哈。好吧,不完全是。目前有三種類型的量子計(jì)算機(jī):
量子退火爐。退火器是元啟發(fā)式的。他們使用磁場(chǎng)以絕熱方式(緩慢地)將一種量子態(tài)演變成另一種代表您要解決的問(wèn)題的量子態(tài)。
電路門模型。電路門模型的工作方式有點(diǎn)像您在經(jīng)典計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中通過(guò)對(duì)量子位應(yīng)用一系列操作所習(xí)慣的工作方式。
拓?fù)淠P汀M負(fù)淞孔佑?jì)算是一些真正的黑魔法。
盡管有幾種不同的方法來(lái)創(chuàng)建量子位,但它們看起來(lái)都非常相似——一個(gè)大圓柱體,或者在 D-Wave 的情況下,一個(gè)立方體。如果你看一下量子計(jì)算機(jī)的內(nèi)部,它們看起來(lái)就像一個(gè)大房間,里面有一盞巨大的枝形吊燈。吊燈的最底部是真正的量子計(jì)算機(jī)。該結(jié)構(gòu)的其余部分用于將粒子冷卻至 5mK 至 15mK 之間的任何位置。
問(wèn):量子計(jì)算是從什么時(shí)候開(kāi)始流行的?
A:量子計(jì)算實(shí)際上已經(jīng)存在了很長(zhǎng)時(shí)間。這個(gè)概念本身是在 1982 年創(chuàng)造的,但它可以追溯到更早的時(shí)候。在 1927 年的索爾維會(huì)議上,世界上一些最偉大的物理學(xué)家——薛定諤、愛(ài)因斯坦和海森堡——討論了新制定的量子理論。從那里,出現(xiàn)了薛定諤的貓、糾纏以及愛(ài)因斯坦-波多爾斯基-羅森悖論等一系列其他概念。這些概念為 Feynman、Benioff 和 Manin 在 80 年代提出的概念奠定了基礎(chǔ)。我們?cè)?90 年代開(kāi)始看到量子算法,在 00 年代看到第一個(gè)硬件。但在 2014 年,你真的會(huì)看到投資、初創(chuàng)企業(yè)、專利和材料科學(xué)優(yōu)勢(shì)方面的突然上升。現(xiàn)在,我們正處于它真正成為現(xiàn)實(shí)的邊緣。
問(wèn):為什么是現(xiàn)在?為什么突然的緊迫感和努力?
答:經(jīng)典計(jì)算的基礎(chǔ)是 1 和 0。如果我們阻止一個(gè)信號(hào),它就是一個(gè)零。如果我們讓一個(gè)信號(hào)通過(guò),它就是一個(gè)信號(hào)。計(jì)算機(jī)是巨大的算盤,但同時(shí)也變得非常小。您擁有的智能手機(jī)由 10 納米芯片驅(qū)動(dòng),其中包含 30 億個(gè)晶體管。這些設(shè)備變得如此之小,以至于一些科學(xué)家擔(dān)心,一旦我們達(dá)到 7nm、5nm 和 3nm,量子力學(xué)就會(huì)生效,我們將無(wú)法阻擋信號(hào)。量子隧穿——你試圖阻止信號(hào),但無(wú)論如何它都會(huì)通過(guò)——遲早會(huì)發(fā)生。當(dāng)它發(fā)生時(shí),經(jīng)典計(jì)算的改進(jìn)將急劇放緩。
問(wèn):這就是量子霸權(quán)的意思嗎?
答:很多人使用量子霸權(quán)這個(gè)詞。我理解這個(gè)詞;但是,我不是它的忠實(shí)粉絲,因?yàn)樗o業(yè)內(nèi)人士的印象是量子計(jì)算機(jī)將以某種方式取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)。事實(shí)并非如此。我們需要經(jīng)典計(jì)算機(jī)來(lái)控制所有進(jìn)出數(shù)據(jù)、低溫學(xué),以及系統(tǒng)中的所有內(nèi)容。我們從經(jīng)典計(jì)算機(jī)中獲取它,我們將控制信息發(fā)送進(jìn)來(lái),然后再發(fā)送出去。我不認(rèn)為量子計(jì)算機(jī)是你運(yùn)行所有東西的東西,因?yàn)樵诓痪玫膶?lái)要做到這一點(diǎn),你需要數(shù)百萬(wàn)、數(shù)百萬(wàn)、數(shù)百萬(wàn)的量子比特。迄今為止,我們只實(shí)現(xiàn)了大約 72 個(gè)量子比特。所以,把量子計(jì)算機(jī)想象成一個(gè)協(xié)處理器。
問(wèn):對(duì)于今天的軟件和硬件工程師來(lái)說(shuō),將量子計(jì)算納入方程式是否是一個(gè)輕松的過(guò)渡?
答:嗯,在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中,你有電路、模塊、門和晶體管。在過(guò)去,你必須是一名工程師才能對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程,因?yàn)槟惚仨毩私鈻艠O之間的電壓。然后,過(guò)了一段時(shí)間,你只需要了解大門。現(xiàn)在,我們有甚至不知道有門的軟件工程師。所以這些事情通常是一個(gè)進(jìn)展。現(xiàn)在,你必須是一名物理學(xué)家才能為量子計(jì)算機(jī)編程。目標(biāo)是將量子計(jì)算帶到一個(gè)你只需要知道門然后有一些抽象層的地方,這樣你就可以將它用于你正在做的任何事情。
問(wèn):這可能引出了最重要的問(wèn)題,您實(shí)際上可以用量子計(jì)算機(jī)做什么?
答:量子計(jì)算機(jī)幫助我們解決真正大的問(wèn)題。以經(jīng)典的旅行推銷員為例。您有一臺(tái)每秒執(zhí)行 10 到 9 次操作的計(jì)算機(jī),您希望使用往返的最短路徑將您的銷售人員派往 14 個(gè)城市。如果要檢查所有旅行組合,經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要大約 1000 秒才能找到解決方案。如果你必須派你的銷售人員去 22 個(gè)城市,經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要大約 1600 年才能找到解決方案。而如果你想讓你的銷售人員去 28 個(gè)城市,這比經(jīng)典計(jì)算機(jī)在已知宇宙中計(jì)算出答案所花費(fèi)的時(shí)間還要長(zhǎng)。量子計(jì)算機(jī)可以在合理的時(shí)間內(nèi)解決該問(wèn)題。
另一個(gè)很好的例子是量子計(jì)算如何徹底改變化學(xué)和科學(xué)研究。以咖啡因分子為例。咖啡因分子中有 95 個(gè)電子,您可以在很大程度上對(duì)其進(jìn)行建模。當(dāng)您想到在經(jīng)典架構(gòu)上為咖啡因模塊建模所需的內(nèi)存計(jì)算大小時(shí),這在天文數(shù)字上是巨大的,而且是不可能的。但是,您可以在具有 160 個(gè)量子位的量子計(jì)算機(jī)上進(jìn)行相同的建模。我們已經(jīng)達(dá)到了 72 個(gè)量子位。有傳言說(shuō)到今年年底我們將達(dá)到 150-200;雖然被授予,但我們?nèi)匀淮嬖诒U娑葐?wèn)題。不管怎樣,我們可以用量子計(jì)算機(jī)來(lái)解決這些非常大、非常困難的數(shù)學(xué)建模問(wèn)題。它將改進(jìn)搜索算法、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和交通,并幫助找到治療疾病和全球變暖的方法。今天,大多數(shù)氣候研究都不準(zhǔn)確,因?yàn)槟褂玫氖墙?jīng)典系統(tǒng)來(lái)模擬量子力學(xué)世界。由于大自然是量子力學(xué)的,因此量子計(jì)算機(jī)可能會(huì)建立更好的氣候模型,這些模型可能比我們今天所做的近似猜測(cè)更準(zhǔn)確并提供更好的數(shù)據(jù)。
我們現(xiàn)在想解決所有這些問(wèn)題,但我們沒(méi)有計(jì)算能力。量子計(jì)算將使我們獲得那種計(jì)算能力。我認(rèn)為我們將在未來(lái) 3-5 年內(nèi)擁有 1000 個(gè)量子比特。1000到10000的路程比較短。一旦達(dá)到 10,000,就可以開(kāi)始尋找數(shù)百萬(wàn)個(gè)量子位。我認(rèn)為我們會(huì)在 5 年內(nèi)擁有數(shù)百萬(wàn)個(gè)量子比特嗎?不,但是隨著技術(shù)的進(jìn)步,我們可以使用該技術(shù)來(lái)解決一些問(wèn)題和材料科學(xué)建模,從而進(jìn)一步加速它。
問(wèn):如果一個(gè)國(guó)家在世界其他國(guó)家之前破解量子,它是否會(huì)給一個(gè)國(guó)家?guī)?lái)潛在的不公平優(yōu)勢(shì)?
答:很多國(guó)家都從國(guó)家安全的角度談?wù)摿孔佑?jì)算,但現(xiàn)在每個(gè)量子研究人員都在與來(lái)自世界各地的其他人合作。所以如果你想要進(jìn)步,你就不能把它鎖起來(lái)。我認(rèn)為這應(yīng)該是一種開(kāi)源技術(shù)。我認(rèn)為它應(yīng)該是一種基于世界的技術(shù)——像影響我們生活的許多事情一樣民主化。全世界有很多大學(xué)都在研究這個(gè)主題。量子計(jì)算,而不是人工智能,是我們這一代人的太空競(jìng)賽。因?yàn)橛懈嗟馁Y金投入、加密威脅的風(fēng)險(xiǎn)、治愈疾病的潛力和做事的能力,所以這是一個(gè)非常重要的領(lǐng)域。
問(wèn):如何參與量子計(jì)算?
A:我會(huì)鼓勵(lì)每個(gè)人都參與進(jìn)來(lái)。大公司正在為開(kāi)發(fā)人員啟動(dòng)程序。還有許多開(kāi)源程序。不要害怕。如果您對(duì)量子計(jì)算和未來(lái)感興趣,請(qǐng)受到啟發(fā)。
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量子計(jì)算
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