IBM Q 量子电脑让我们再次经历伟大的「1940 年代」

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IBM Q 量子电脑让我们再次经历伟大的「1940 年代」

3 月 6 日,美国 IBM 公司发表了崭新的 IBM Q 量子电脑。很多人以为这只不过是科学家手工打造出来用于宣传噱头的实验室製品,其实不然,这是 IBM 第一款商用可量产的量子电脑产品,2017 年不只是 2017 年,而是量子电脑实用化的元年。

对于量子电脑而言,「这是开拓的 1940 年代!」IBM 公司的 CTO 兼量子计算、科技策略、大型电脑副总裁的史考特·克洛德(Scott Crowder)表示:「这不是 1960 年代或 1970 年代,而是 1940 年代。我们还处于早期发展;IBM 仍然在推动许多基本的基础建设,同时我们正在努力让更多人能运用这些系统。」虽然很多人以为 IBM Q 是从 IBM 研发中心到 IBM 商用大型主机的「接力交棒」,克洛德认为这不是一刀切,科研跟商业部署仍然是伙伴关係,但「这绝对是一个从纯科学研究到工程发展和商业化的转折点。」

1940 年代到底具有什幺意义呢?因为第二次世界大战的当时,就在烽火交加中,现代意义的通用数位电子电脑的鼻祖 ENIAC 诞生了,用于计算砲兵弹道与氢弹设计。其设计崭新,现代自动化程式必要的迴圈、分支选择、副程式等都已经出现(虽然当时是用开关切换、电缆线穿接来「写」程式),只要改变程式,通用电脑就可以应用到不同的用途,这把传统机械式(如打孔机计算器)、电机式(使用继电器)的计算机都扫进了历史。

回看 1980 年代中,量子计算还只是知名理论物理学家理查‧费曼(Richard Feynman)提出的纯理论,要不然只在科幻作品里存在;而 2017 年的现在,量子电脑不但在实验室打造出来,而且开始走向实用化了。量子电脑将会如何影响我们的日常生活呢? IBM 希望透过 IBM Q 来寻求解答。

IBM Q=2017 年的 ENIAC?IBM Q 量子电脑让我们再次经历伟大的「1940 年代」

当新闻稿发表以后,大众最关心的,莫过于何时量子电脑会上市?IBM 宣布,未来几年内将把这通用量子电脑交货给合作伙伴。该公司还表示,打算在未来几年内打造到约 50 个量子位元(qubit)的系统。

什幺是量子位元呢?传统的位元(bit)是非 0 即 1 的「开关」(这边 0、1 纯粹表示符号),我们只要有很多开关,就可以用来编码表示数字、文字、声音、画面像素等资料;然而量子位元除了可以是 0 或 1,更可以是 0 与 1 的「量子叠加」!很难理解的话,笔者用最简单的方式解说:一个量子位元在进行观测前,可以说是「一定可能性的 0 加上一定可能性的 1」,例如机率 16/25 的 1 加上机率 9/25 的 0,或机率 9/25 的 1 加上机率 16/25 的 0 等等,要直到进行观测后(机率大者被观测到),才会变成是确定的 1 或 0。

如果你觉得还是如天书般难懂,笔者用更具体的例子来比喻好了。一个量子位元就相当于一把左轮手枪,里面放了几颗子弹不知道。只玩一次俄罗斯轮盘,在尚未扣下扳机前,会击发(1)?不会击发(0)这是机率问题,要等扣下扳机以后才会知道是 0 还是 1 。量子运算上,也是以机率的形态进行,不同于传统演算法只会得到单一状态的结果,而是所有状态同时存在,经过量测后才得出最后答案,这使量子计算从最基本开始就有平行性,而且有真正的乱数随机性。

说回来,IBM 只公布了一个模糊的时间表,有些人可能怀疑:「IBM Q 此举只是为了要在量子电脑这尖端的技术领域夺取镁光灯,实际上没有任何计画吧?」取名为「Q」,实在很难不让人联想到经典科幻影集《银河飞龙》(Star Trek: The Next Generation)里的角色,全知全能的贵族连续体「Q」。

只是漂亮的公关手段?克洛德说,他们其实有非常确实的日程安排。「是的,我们内部对未来几年的时程有一个严格的规划,」他笑着说:「我们已宣布今年的目标,是向特定产业的合作伙伴提供系统。此外,我已经说过,在未来几年内我们会将电脑升级到大约 50 个量子位元的水準。」克洛德具体提到打算让 IBM Q 量子电脑「成为现实」,而不仅仅是「书面简报档案和纯展示用实验品」。

虽然 IBM 对实际的时间表三缄其口,但对其产品与市场上其他既有产品的差别到底在哪里,IBM 则完全不保留地详加说明。如果你有密切关注量子电脑的发展,当 IBM 早先发表 IBM Q时,你应该就已觉得疑惑了,因为 D-Wave 公司早就向企业用户提供商用量子电脑几年了,IBM 的量子电脑跟 D-Wave 的究竟有何不同?

相较之下,D-Wave 的产品量子位元数有 2,000 个之大,远远超过 IBM Q 预定要达成的 50 量子位元,然而,两种硬体其实无法直接相比。因为 D-Wave 的设计基于「量子退火」演算法(quantum annealers,用于在庞大组合的可能性中找到最佳解),这只能解决某些特定问题,D-Wave 所开发的产品因此被批评不是通用的量子电脑,毕竟只能在特定的演算法下,大胜过传统电脑;此外,到目前为止有很多学者,质疑 D-Wave 的电脑是否为真正的量子电脑。然而 IBM 致力打造的量子电脑,则是像古典电脑一样,是通用,可以解决许多类型问题。

不好理解的话,以现代的数位电子式个人电脑为例,今日街上的 ATM 自动柜员机、书店的 POS 电脑收银机甚至任天堂的迷你红白机(mini Famicom)等,打开其特殊外壳,你会发现它其实就是一台通用的 Windows 电脑或 Linux 电脑,只要你会置换程式,把 usb 线接上去,你可以把它改装用在别的用途,就像把 iOS 或 Android 手机或平板刷机;然而在 1970 年代中到 1980 年代个人电脑的萌芽期,市场上也曾有过大量专属功能的小型电脑,都是为特定目的量身订作,先天功能就被写死了,你可没办法自行「刷机」呢。

克洛德说:「我们提供的不是功能写死的系统,而是一个通用系统,」他补充说, 「但更重要的是,量子计算的力量令人兴奋,每个人得以用它探索指数等级大的範畴。」

目前,IBM 的量子电脑已被运用在化学研究领域,而未来可能的应用方向,可能还有:

IBM 为了实现其计画,不只寻找客户,更是寻找合作伙伴。

合伙来探索量子电脑的应用IBM Q 量子电脑让我们再次经历伟大的「1940 年代」

IBM 预计将在 2017 年底推出第一个能「尽早使用」的量子电脑给选择的行业合作伙伴。然而,这不是一个从製造商购买硬体的传统交易──该公司不只提供服务,而是把早期採用者当做「合伙人」。「对于我们第一个达成的成交对象,我们肯定希望是能密切合作的伙伴,」克洛德说:「我们希望找到能驾驭生态系的伙伴。」

量子电脑的运作,在空间、温度和其他物理特性上有严格要求,IBM 的伙伴将受益于这种体系,硬体本身将由 IBM 公司提供维护和定期升级,所以 IBM 的合作伙伴将更能集中精力善用其功能。

透过过去的 IBM Experience 云端量子计算服务,IBM 已经有良好的纪录。 「这不像你在实验室拼拼凑凑做出的 5 量子位元的电脑,今天它不听话,你踢它一下,它回复运作,算出你要的结果;然后两个月后,你又得故技重施,它才会再次听话工作。」克劳德说。 「不,我们已经证明,我们有一台从 2016 年 5 月运作到今天的可靠量子电脑了。」

在买卖的另一层面,IBM 希望透过合伙关係,能更清楚 IBM Q 的未来生意可能性。一个公司应该如何选择量子硬体?为什幺选择运用量子硬体?这仍然是大哉问,与这些早期採用者协力可以较易挖出解答来。这不但帮助 IBM 本身,也帮助合伙公司在量子电脑的业务优势变明确之前就先搭上列车。然而  IBM 在企图领先业界之余,也尚未打算放弃其传统的数位电子计算业务。

量子电脑与传统电脑的共存?IBM Q 量子电脑让我们再次经历伟大的「1940 年代」

关于这个问题,克洛德解释说:「传统电脑做得好的,是循序反覆批次储存、处理大量资料,它们做的比今天的量子计算更有效率,就我所知,即便未来这也不会变。理论上,通用量子电脑可以做一个传统电脑能做的任何功能,但在我看来,它们在处理大量的资料时不在行。量子电脑所擅长的,是当一个问题的解答有巨大的可能範围时,从中快速探索出最好的答案。」

IBM 并非将量子电脑视为传统电脑谱系的下一世代,而是旁枝的全新硬体类别,有自己的优势与缺点,以及在一些重大应用方面有十足潜力。

当然,它仍然是不成熟的科技。近年来,世界各地研究人员在运用大型通用量子计算机工作上取得巨大进展,但在零散的潜在应用方面却没有什幺进展。这是一个恶性循环。「大约 20~25 个量子位元的电脑,仍然可以在你的笔记型电脑上模拟,」克洛德说。 「但到了 40、50 量子位元时左右的量子电脑,就算用现在世界上最大的超级电脑,也不可能模拟出来,这有一个有趣的不连续性。」

「你得实际使用过量子电脑系统,才会真正了解如何设计适于量子电脑的演算法和使用案例,」他补充说。 「你无法在传统电脑上模拟这件事。」

量子电脑缺乏 benchmarkIBM Q 量子电脑让我们再次经历伟大的「1940 年代」

关于打造通用的量子电脑,目前还处于早期的「40 年代」,甚至连评比不同量子电脑的标準方法都还没有,没有一个好的客观的 benchmark,不同的量子电脑厂商间的竞争,就会流于各说各话,行销话术满天飞,客户很难买到适合的产品。因此 IBM 希望透过一个称为量子卷(dubbed quantum volume)的量测法来解决这个问题,它考虑了量子位元的数量、量子操作的品质、量子位元的连接性、相干时间(coherence time,指物理波动上的相干)、并行性等。

「这一切总和起来,可以告诉你量子电脑到底有多强大,就在于它可以探索的空间之大,」克洛德说。「我们是很开放的,IBM 欢迎其他人也能来参与且完备这个测量基準。有了这一类基準,随着时间推移,人们才能容易地衡量:这个量子电脑跟那一台量子电脑比;这一代量子电脑与下一代量子电脑比,哪一台更强大?」

「没有比较基準」,这就表示说,要将量子计算从有希望的理论转变成可行的商业产品,还有很多配套的工作得进行。「就像我说过的,我们还在 40 年代,」克洛德说。「我们还没有一个基準来分类量子电脑系统的强大程度,但我认为,你会在未来几年看到这件事快速发展,因为 IBM 和其他公司会继续提高这些电脑的等级门槛。」

量子价值量测、与 IBM Q 合作伙伴的关係、IBM Experience 等等,IBM 正劳心于各项基础建设,要使量子计算成为其商业利益的关键组成,这些建设将在未来几年见真章。克洛德说:「我们确信,我们已经抓到了关键点,这条路将在不久的将来带我们看到通往更大的系统。」

投入大量时间和资源研发, IBM 要把量子计算商业化的雄心壮志不言可喻,如果加上能找到优质的合作伙伴,IBM Q 将可以将实验室的技术实用化,应用于现实世界中,我们大家可以拭目以待,科幻片里描述的量子电脑纪元是否即将到来?

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