展望下一代超級計算機

本文由 「AI前線」原創，原文鏈接：展望下一代超級計算機

譯者｜Liu Zhiyong

編輯｜Debra Chen

AI 前線導讀：」說到超級計算機，其本質還是屬於傳統計算機，只是由數百數千甚至更多的處理器組成，能計算普通 PC 和伺服器不能完成的大型複雜計算的計算機。因此，超級計算機依然運行於傳統的二進位 0 和 1 之上。我們說的量子計算機，可以在量子位上運算，可以計算 0 和 1 之間的數字。它是利用量子性質來進行計算，基礎原理完全不同。今天本文就帶領讀者一起展望下一代超級計算機——量子計算機的最近趨勢和發展狀況。」

儘管各國最強大的 AI 開發競賽是許多媒體的關注焦點，但一場同樣重要的競賽卻持續升溫，就是打造第一台量子計算機。

隨著該領域呈現井噴式發展態勢，2018 年應該有一連串的突破。當量子計算機針對任何類別的問題都明顯優於經典超級計算機時，這就是所謂的「量子霸權（Quantum Supremacy）」[1] 的競賽。

AI 前線：量子霸權（Quantum Supremacy）是加州理工學院量子理論學家 John Preskill 於 2012 年發明的名詞，用於表示在存儲和通信帶寬呈指數級增加後，量子計算機擁有傳統超級計算機所不具備的能力。量子霸權的之爭，不僅僅是技術之爭，更是國運之爭。

量子計算的兩位領袖 Google 和 IBM 已經制定這一目標的計劃。Intel 也是一匹黑馬，前不久在 Las Vegas 舉辦的 CES 2018 展會上推出了為量子計算研究而設計的 49 量子位的測試晶元 [2]。

這是一筆巨大的賭注。量子計算機承諾為一些最困難的數學和計算問題創建新的計算範例。例如，分析多個基因在健康結果中的相互作用；模擬化學物質的能量狀態，並預測原子粒子的行為。它們還可能通過快速破解用於保護 IT 基礎設施和網路的現代密碼學，使互聯網變得不那麼安全。

AI 前線：量子計算在這些方面現在還沒有什麼實際應用，原因是現在通用性的量子計算實現上還有很多困難。

有一點是可以肯定的：量子計算的時代即將來臨，世界將永遠不會重複。

簡而言之，量子計算機使用稱為「量子位（qubit）」[3] 的計算單位。雖然普通的半導體表示信息是一系列的 1 和 0，而量子位表現出量子特性，同時可以計算 1 和 0。這意味著兩個量子位可以在同一時刻代表 1-0、1-1、0-1、0-0 的順序。該計算能力隨著量子位的增加而呈現指數級提高。理論上來說，量子計算機如果只有 50 個量子位，也比今天地球上最強大的超級計算機擁有更強的計算能力。

AI 前線：量子計算的基本原理是，量子位可以製備在兩個邏輯態 0 和 1 的相干疊加態，也就是說它可以同時存儲 0 和 1. 考慮一個 N 個物理位的存儲器，若為經典存儲器，則只能存儲 個可能數據當中的任一個；若為量子存儲器，則可同時存儲個數，且隨著 N 的增加，其存儲信息的能力將指數上升。例如，一個 250 量子位的存儲器，可能存儲的數就高達，比現有已知的宇宙中全部原子數目還要多。由於數學操作可同時對存儲器中全部的數據進行，因此，量子計算機在實施一次的運算中，可以同時對個輸入數進行數學運算，效果相當於經典計算機要重複實施次操作，或者採用個不同處理器實行並行操作。

摩爾定律 [4] 指出，每單位的計算能力每過 18 個月就會翻一番，而每計算單位的價格將下降一半。雖然摩爾定律在很大程度上是正確的，但是現在要擠出這些改進，所需要的資金比過去要大得多。換言之，半導體公司和研發人員需在研發上投入與日俱增的資金，才能實現每一次的飛躍。另一方面，量子計算的發展也是一日千里。

一家名為「D-Wave Systems」的公司正在銷售一種量子計算機，據稱有 2000 個量子位。但 D-Wave 計算機卻飽受爭議，儘管研究人員發現 D-Wave 計算機的良好用途，但這些量子計算機並沒有擊敗傳統的經典計算機，它只對某些類型的問題（如優化問題）有用。優化問題涉及從所有可行的解決方案找出最佳解決方案。因此，例如具有多個可行結果的複雜模擬問題可能並不容易使用 D-Wave 計算來解決。鑒於 D-Wave 計算機進行量子計算的方式，人們也不認為它是構建真正的超級計算機殺手的最有希望的方法。

AI 前線： D-Wave 這種量子計算並非嚴格意義上的通用量子計算機。但是它證明了 D-Wave 所用的量子演算法也是通用的。

Google、IBM 和一些初創公司正在研究量子計算機，這些量子計算機因為要解決更廣泛的問題，因此它們承諾會更加靈活，更加強大。幾年前，這些有 2~4 個量子位的靈活的機器很常見。在過去一年裡，這些公司宣布了更強大的量子計算機。2017 年 11 月，IBM 宣布 [5] 建立了使用 50 個量子位的量子計算機，打破了此前科學家們所認為的量子計算機超越傳統超級計算機的臨界點。

它有什麼不足之處么？IBM 那台機器一次只能維持 90 微秒的量子計算狀態。事實上，這種不穩定性，就是量子計算的致命傷，這些機器必須經過超級冷卻才能工作，鑒於早期系統的不穩定性，需運行一組單獨的計算來糾正計算錯誤。也就是說，科學家們正在對這種不穩定的問題進行快速改進，希望在 5 年之內，量子計算機能夠在室溫下運行。

AI 前線：因為量子運算的相干特性，所以來說接近絕對零度的時候計算準確性才能保證。溫度越高運算錯誤率越高。

量子計算和人工智慧的融合看上去很有希望。正如我們所看到的大規模人工智慧的第一個重大影響時，我們也意識到，經典的基於半導體的計算限制了我們希望人工智慧可以解決的最大問題的能力。他們將希望寄予量子計算機在脫離超低溫環境之前就可以進行有用的計算。

AI 前線：人工智慧核心資源是計算能力，量子人工智慧的計算能力為人工智慧發展提供革命性的工具，能夠指數加速學習能力和速度，輕鬆應對大數據數據的挑戰。Google 已建立聯通管制人工智慧實驗室，Microsoft 等公司也在做一些人工智慧方面的東西。在大數據方面，量子人工智慧計算能力有巨大的優勢，從而實現彎道超車。

量子計算有望進入這一突破口，為解決這些重大挑戰提供所需的能量。精確的靶向醫療、更便宜的能源生產以及新型超強材料，都是量子計算所能實現的突破。通過在一個相對小型化的封裝上同時進行數十億的計算。Google 的研究人員通過使用量子計算來模擬氫分子的電子結構展示了這一承諾 [6]，這是將化學設計從經驗測量和有經驗的猜測轉向更合適的工程和模擬的關鍵步驟。（這也適用於藥物發現。）

量子計算的危險也是真實存在的 [7]。量子計算機將能夠很容易地破解目前所使用的大多數加密形式（儘管安全專家已經開始著手創建不能被量子位攻擊破解的代碼）。如果俄羅斯或中國取得量子計算的統治地位，他們就有可能利用自己的優勢進行更複雜的黑客攻擊和解密編碼通訊，這完全是有可能的。

政府、大公司、初創公司和大學實驗室之間，最聰明的工程師都在爭奪量子霸權。這確實可能會改變全球的力量平衡。

[1] Quantum Supremacy https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_supremacy

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