量子計算:突破摩爾定律,開啟算力新時代

智能計算   作者:翁文康 時間:2022-05-10來源:華為

過去一百年,人類有兩個偉大的文明突破,一個是計算機的發明,另一個是量子力學的發現。兩者均促進人類世界發生跨越式的進步。大約二三十年前,這兩個偉大的思想交叉碰撞,發展出量子信息科學。其中,量子計算機的構想,一方面提供了可以突破當前經典計算機物理局限的可能性,另一方面也成為科學工程上前所未有的一大挑戰。

摩爾定律的結束也是個開始

計算機是現代人類文明的標志,現代社會對計算資源的需求永無止境。歷史告訴我們,計算能力的提升使得社會運行更有效率,也引發出更多意想不到的應用,讓我們的生活多姿多彩。

目前,我們普遍使用的計算機的工作原理是基于“經典力學”的框架去設計的,也就是說1就是1,0就是0;可謂見山是山,見水是水。過去數十年間,經典計算機芯片之所以能越做越好,計算能力不斷提高,主要原因是優秀的工程師們可以把芯片里面的元件不斷縮小。這樣,不僅單位大小內可放置的元件增加,而且電流信號從一個元件到另外一個元件的距離減少,邏輯操作就可以被加速了,同時能耗也會減少,一舉多得。這個套路,成就了著名的“摩爾定律”,它描述過去幾十年時間,工業生產的芯片密度大概每十八個月翻一番的事實。

可是,摩爾定律提出之時,也預示了它失效的日子——因為物理元件不可能無限縮小。我們都知道,所有的物質都由原子組成,到了原子尺度,粒子的行為是按照量子力學規律運行而不再是經典力學,甚至連如何定義1和0也變成一個大問題。

不過,摩爾定律的失效,并不代表人類不斷追求更強大計算能力的道路就此終結。借用丘吉爾的名言:“現在不是結束,甚至不是結束的開始。但是,也許,現在是開始的結束?!蹦柖梢I人類到達經典世界和量子世界的邊界,跨過去之后,量子計算將會開辟一片新天地。

量子力學讓我們意識到,真實的世界,原來有非常多的物理規律是違反直覺的,顛覆了我們對整個世界的認知。在量子世界,很多經典物理學中不存在的物理狀態變得可能,比方說,粒子的狀態能“同時”代表1和0;真是見山不是山,見水不是水。量子計算的核心思想,就是要以量子力學作為框架,發展出更強大的量子計算機器,讓我們重新認識計算的意義;達到見山只是山,見水只是水。

第二次量子革命

憑著量子力學的框架,人類對各種物質的特性有更深刻的認識,產生了不少尖端科技發明。比如,通過認識光的量子特性,研發出激光;通過認識電子的量子特性,研發出芯片;通過認識磁鐵的量子特性,研發出核磁共振成像技術,等等。這些通過研究物質的量子特性所引發的技術進步,可歸類為第一次量子革命。

隨著技術的進步,我們對各種微觀系統的調控能力大幅提升;我們不僅能操控一個個原子的行為,甚至可以測量出單個電子產生的電流。這些尖端科技允許我們對量子力學的基本特性進行反復驗證,促進第二次的量子革命。

第二次量子革命的特征是需要從量子力學的“本質”去發展新科技。比如說,通過量子疊加原理去發展出量子計算機;通過量子糾纏發展出量子精密測量技術;通過量子不可克隆原理發展出量子加密系統,等等。我們期待著第二次量子革命給人類社會帶來多方面的科技突破。

量子計算的潛力

量子計算機的工作原理和經典計算機最大的差異,就是存儲和傳輸數據的基本單元“比特”被替換成“量子比特”。這里,我們利用了量子疊加原理:一個量子比特能“同時”處于0和1兩個邏輯狀態的線性疊加態;兩個量子比特的狀態可以同時處于00、01、10、11四個邏輯狀態的疊加態;多個量子比特對應的狀態可以達到指數增長。量子算法的核心,就是如何利用好這些量子疊加態,來加速計算問題的求解速度。

其中,最著名的量子算法是Shor在1994年發表的大數分解量子算法,其直接威脅到經典計算機網絡依賴的加密系統。雖然我們還沒有研發出通用的量子計算機,但是Shor算法的出現,已經引起不少網絡安全專家的關注。如果某些機構或者個人在五十年后研發出量子計算機,今天我們通過公共領域,比如互聯網,發送的所有加密信息,一旦被攔截儲存下來,將會被一一破解。于是,量子計算機的構想,促使了網絡安全專家去開發能對抗“量子攻擊”的新加密方法。

近年來,量子計算的研究已經有不少重大突破,促進了量子計算復雜性的發展。同時,利用量子算法的經驗也對經典算法帶來沖擊。目前已經有不少新的經典算法是通過研究量子算法得到靈感的,體現出量子算法研究的總體價值。

對于未來,研究人員普遍認為,量子計算機在量子化學模擬和人工智能領域中能夠大有作為。像過去許多偉大的發明一樣,量子計算機一旦研發成功,我們還會找到更多今天意想不到的應用。

量子計算機的多路線之爭

其實,量子并不是像電子中子那樣的基本粒子,量子比特也不是什么稀缺的物質。量子力學里面的量子是描述在微觀世界,物理系統的能量并非連續的事實,這種非連續性被中文翻譯成量子。所以,原則上任何量子系統里面的兩個能級,只要存在實驗手段操控和讀出,都可以作為量子比特。

目前,發展相對成熟的系統包括:超導量子器件、量子點、囚禁離子、金剛石色心、核磁共振系統和線性光學系統等。不同物理系統的量子比特有不同的特性。過去,量子計算機的硬件研發,按照不同的路線,各自在同時開展。在一個物理系統中開發出的技術,也有可能在不同的系統上展示。日后量子硬件的發展也有可能是混合不同量子系統,取長補短去提升整體效能,代表著人類科技進步的重大挑戰。

量子霸權時代

量子計算機理應是個強大的計算機器??墒?,我們還無法從理論上確切證明,量子計算機能“快速”解決經典計算機不能有效解決的問題。比如說,Shor量子算法的計算復雜性雖然比任何已知的經典算法都要低,但是對于大數分解問題,我們并沒有排除等效甚至更快的經典算法的存在性。一旦找到這樣的經典算法,Shor量子算法的影響力將會大打折扣。

另一方面,在各國政府和企業的大力推動之下,過去幾年,在實驗室里,量子比特的數目不斷增長,同時質量不斷提升。對于量子計算的科研人員來說,卻是又驚又喜。我們面前需要思考的問題,并不是教科書里面的“理想量子計算機”,而是“準量子計算機”;這些基于量子力學原理運作的復雜計算機器,雖然邏輯操作還沒達到通用量子計算的標準,但是它們的行為已經幾乎不能被經典計算機有效模擬。在量子計算的領域,一般稱之為“量子霸權”。

在這個量子霸權的時代,要推動量子計算機的發展,我們有不少緊迫的任務,包括為這些準量子計算機量身定做量子操作系統、量子算法、量子軟件,還有一整套復雜的系統工程。

HiQ量子云服務平臺

實事求是地說,各個研究機構的量子設備以及量子模擬機的計算能力,跟當代計算機相比依然有很大差距??v觀全球各研究機構及商業公司,在物理層面上制造量子計算機的主要策略為逐步增加量子比特位數。

在量子計算硬件系統成熟之前,基于量子計算模擬器的量子軟件及算法研究是必經之路。華為已經在量子計算模擬器HiQ云服務平臺取得階段性成果。HiQ云服務平臺已在2018年華為全聯接大會上發布,包括量子計算模擬器與基于模擬器開發的量子編程框架,基于華為云強大的計算基礎設施,采用分布式架構、算法優化創新,克服了全振幅模擬器對內存容量和網絡帶寬時延的挑戰,對外提供全振幅模擬和單振幅模擬的云服務。HiQ可模擬全振幅42量子比特以上,單振幅81量子比特(邏輯深度40層)以上,對于低深度電路的單振幅可模擬169量子比特(20層)。這是目前業界領先的量子電路模擬云服務,而且,它首次集成糾錯量子電路模擬,可以實現數萬量級量子比特的糾錯電路模擬,性能是同類模擬器的5-15倍。

華為還首次展示量子編程框架,該框架兼容開源ProjectQ的同時,大幅提升量子算法的并行計算性能,新增兩個圖形用戶界面量子電路編排GUI(Graphical User Interface)和混合編排BlockUI(Block User Interface),使經典-量子混合編程更加簡單和直觀。

華為量子計算的愿景

多年前,量子計算就被稱為是具備顛覆可能性的未來計算技術之一。如果實現指數級別的加速,經典計算機需要耗時上萬年的某些計算任務,量子計算機能在幾分鐘甚至瞬間便可完成。雖然量子計算在硬件、軟件、算法、系統等多方面存在技術挑戰有待突破,是一個復雜的系統工程;不過,從近年來量子計算領域飛速發展的趨勢來看,預計其將有可能在人工智能、藥物開發、量子化學、新材料設計以及復雜優化調度等多個方向帶來新的革命。

華為在持續關注量子計算機硬件最新進展的同時,也投入研發力量參與部分探索性研究,以推動量子計算機盡快問世。

量子計算是一種不同于經典計算的革命性計算技術。它首先是云計算面向未來的核心技術之一,同時,量子算法為AI算法帶來全新的視角,可啟發出更好的經典AI算法,加速計算速度。HiQ云服務平臺的推出,標志著量子計算的研究和創新邁出關鍵一步。未來,華為將持續在量子計算領域進行深入研究和技術投入。華為堅持開放、合作、共贏的理念,量子計算模擬器HiQ云服務平臺已經對外開放提供云服務,攜手廣大的開發者、研究人員、高校師生共同創新,推動學術突破,以實現量子計算技術早日產業化。

關鍵詞: 量子計算 摩爾定律 HiQ云服務平臺

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