—从三体到量子计算导读

herrywwang(王伟)

本文作者 : 腾讯网络平台部服务器平台架构师,专家攻城狮。14年加入腾讯,之前在华为工作13年,多年从事平台软件和硬件的研发。加入腾讯后,在服务器平台中心负责服务器技术架构设计、新技术预研、新技术导入等工作。目前也是中国开放数据中心委员会填写3.0的项目经理,主导天蝎3.0的技术架构和标准工作。

编者语 量子计算最近这几年热度不断提高,2015年再次被燃爆,一个貌似离我们这个时代还很远的事物,已经迫不及待要跳出来显摆一下自己的强大了。于是herry就花了些时间,对量子计算的行业发展近况做了一些学习,整理了一些内容,跟大家分享一下。如果各位看官觉得不错,就请点赞,如果觉得有偏颇,就请呵呵;如果您是量子物理学博士,请呵呵,谢谢!

从三体说起量子计算的故事,可以从《三体》这本科幻小说讲起,这样可能更生动一些,看过《三体》的童鞋,下面理解起来会相对容易一下,如果你还没有看过,赶紧回家恶补一下,其实对于科幻宅的我来说,这部小说真的写得非常好,略感不足的就是故事最后的收尾太仓促了,留下太多空白没有补实。好了,废话不多说,先说说《三体》与量子计算的关系。

话说,《三体》故事开头讲的是位于半人马座α星系的三体文明要发起对地球的殖民,但是三体这颗行星距离地球有4光年之距,当时三体的科技制造出来的宇宙飞船最快只能达到十分之一光速,实际航行只能维持在百分之一光速左右,因此三体的第一批战舰到达地球需要400年左右。但是,三体人发现地球正处于科技爆炸阶段,400年的时间,地球的科技会超过三体,因此,三体人创造了“质子”,并把几个“质子”以光速送到地球,用这些“质子”来监控并阻碍地球的科技进步。这些“质子”就用了量子计算和量子通信的原理,这些“质子”在地球上监控到的信息,可以实时传送到三体。

量子通信为何“质子”可以实时讲数据从地球传送到三体?这不是瞎编,这里用到的技术叫量子通信。量子通信技术是源于量子纠缠理论,所谓量子纠缠是指在两个或两个以上粒子组成系统中相互影响的现象,这种影响不受距离的限制,即使两个粒子分隔在直径达10万光年的银河系两端,一个粒子的变化仍会瞬间影响另外一个粒子。用一张图来让大家更容易理解,你先把量子理解为一个小磁铁,如果两个这样的小磁体A和B之间形成了量子纠缠现象,那么如果A指向上,B就会指向下,即使你把A和B两个小磁铁分开几十光年的距离,A和B之间的状态影响也是瞬间的。

是不是已经颠覆了你的三观?爱因斯坦的相对论去哪儿了?不是说好了光速是极限吗?还能不能一起好好的学习物理了?幸好,我不是学物理的,要不我一定会疯掉。

而且,人类科学家已经在2007年时,再一次通过科学实验,证明了量子通信的这个理论。一组国际研究小组,在西班牙加那利群岛的拉帕尔马岛上制造出偏振纠缠光子对A和B,然后将光子对中的一个光子A留在拉帕尔马岛,另一个光子B则通过光学线路传送到144公里外的特内里费岛上。然后对光子A和光子B进行量子态观察,两个光子仍在同一时刻保持量子纠缠状态。实验选择144KM这个距离,是因为近地卫星的距离就是144KM,有了这个实验数据作基础,未来实现卫星的量子通信,就指日可待了。

随着量子计算和量子通讯热度的提高,国内的科研机构和企业也纷纷开始布局量子计算。2015年7月,马云公司与中科院合作,成立了“中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室”,研究量子计算和量子安全通信。随后,2015年12月,中科院联合中科大、科大国盾、铁通、中兴、阿里巴巴等公司,成立了中国首个量子通信产业联盟。

量子计算

前面提到了量子通讯,神奇且高深,但是似乎与我们还有些距离,反正herry认为未来几年肯定还用不到互联网产品上,还没有走到惠民的阶段。但是,如果提到量子计算机,也许你就会感兴趣了吧?量子计算机会不会在不远的未来替代掉腾讯所有的服务器?替代掉你所有的办公电脑、手持智能设备?先听herry给各位看客介绍一下近几年来量子计算的飞速发展:

  • 2011年5月,D-Wave 公司发布全球第一款商用型量子计算机
  • 2013年5月,谷歌和NASA使用D-Wave Two(512Qubit)研究人工智能
  • 2013年,谷歌&NASA与D-Wave合作,已获得一些商业化的进展
  • 2014年,微软联合加州大学圣芭芭拉分校建立量子计算实验室StationQ
  • 2014年,Intel 与 QuTech 签署10年量子计算机研究合作协议
  • 2014年,澳大利亚新南威尔士大学制成了基于硅的量子位逻辑门
  • 2015年8月,D-Wave公司发布D-Wave 2X(1152Qubit)
  • Google & NASA、美国国家实验室(核实验)购买并研究应用
  • 2015年,谷歌联合加州大学圣芭芭拉分校制成9个Qubit的量子芯片
  • 2015年,IBM发布4 Qubit量子芯片
  • 2015年7月,阿里巴巴投资4.5亿(15年)与中科院合作开发量子计算机

看到这些资讯,尤其是国内外几大互联网巨头在量子计算机上的投入,是不是觉得量子计算机已经离我们很近了。那到底量子计算机到底有多强大,会让这么多巨头趋之若鹜呢?herry从2012年就开始关注谷哥使用D-Wave量子计算机的事件,近期也花了一些时间挖掘和学习了一些量子计算机的基础知识。本想在这里长篇大论介绍一下量子计算机的基础知识,没想到被编辑喊停。所以,我就长话短说,简要介绍一下量子计算机:量子计算机硬件在物理原理和实现上,与传统的电子计算机还是有很大差异的。传统的电子计算机使用比特位bit来表示数据,一个bit可以表示0或1两个数值。而量子计算机则是使用量子位qubit来表示数据,一个qubit可以表示0、1、叠加态,简单理解可以认为一个qubit可以表示为00、01、10、11这四个数值。这代表什么意思呢,抽象点说,量子计算机相比传统计算机,在计算能力、存储能力上要高倍。说人话呢,就是假设n=32,那么32位的量子计算机比32位的传统计算机,性能要高40亿倍。好吧,请收下臣妾的膝盖。这么强大的计算,如果让我们用起来,我们岂不是一步从石器时代跨越到信息科技时代了吗?其实不然,herry仔细研究了一下量子计算机,发现没有天上掉馅饼的事。一来,现在的量子计算机还是在早期雏形状态,离真正商用、民用还有很远的路要走。以D-Wave的量子计算机为例,因为其量子芯片需要大量的粒子进行量子态运算,D-Wave在制造量子CPU时,采用了金属铌。金属铌据说在绝对零度时可以进入超导态,可以进行量子态运算。“绝对零度”?我的妈呀,是的,你每看错,是绝对零度。如果你已经把物理知识还给老师了,请自己脑补一下。为此,D-Wave用了一个十平米左右的冷库,给一个1平方厘米大小的CPU降温。据了解那个CPU功耗只有1uW,但是制冷空调却要花费15KW。OMG,这还真的不是一般人用的。所以,量子计算机真正规模商用,还有很多技术要突破。二来,量子计算机不是给大家准备用来打游戏的,想象一下,一台15KW的设备放在你家里,一个月烧掉1万度电,还占用你家10平米的房间(哇噻10平米,100万啊),一般人烧不起。呵呵,其实也不全是因为这电老虎太耗电,主要还是量子计算的适用场合并非传统的消费者应用。所以,我们来看看量子计算到底能做什么用途吧。还是要从量子计算的原理讲起,量子位qubit叠加态的不确定性,从我的角度去理解,量子计算机是不能完全替代电子计算机的。传统电子计算机是一个典型的IPO(InputàProcessàOutput)模型,即给一个特定的输入,经过特定的算法操作,你能够得到一个必然的输出,只要输入不变,操作的步骤不变,那么结果一定不变。因此,电子计算机计算的是必然性。而量子计算机,虽然我们目前还不能非常准确的探究其实现原理,但是感觉量子计算机计算的更像是概率。我们用打保龄球作个比喻,选手掷出的保龄球是输入,赛道是处理过程,最后保龄球击打的位置是输出。那么,只要选手掷出的保龄球保持固定的角度、速度、转速,那么在赛道保持不变的情况下,可以确保最终保龄球击打球瓶的位置和角度会是一样的。但是,如果选手掷出的保龄球是量子态的保龄球,那么结果就完全不同了,下面这张图可以形象的展示量子保龄球的击打结果:

所以,量子计算机并不是为替代传统电子计算机而生的,它其实比较适用于一些模糊计算领域,包括安全计算(加解密)、深度学习、人工智能、气象分析等这些传统计算机用起来很费劲的场合。至少,目前herry了解到的情况是这样的,如果你是量子计算的铁粉,认为量子计算未来会替代一切,那就尽情在回复里PK我好了,哈哈^_^。另外,前面herry也提到了,量子计算机仍处于非常初期的阶段,所以大家保持关注就好。按照科技成功模型,herry认为目前这一批量子计算机的玩家,多数会成为先烈,倒在沙滩上;再过1至2代的行业孵化,量子计算机的生态链才会成熟,才会进入真正的商用阶段。

即便如此,herry还是了解了一些量子计算机比较出名的应用场景和算法,供大家参考,如果看官不感兴趣,请GOTO最后一段去拍砖。

Shor算法——Shor 算法是一种大数因子分解的量子多项式算法。具体实现算法我就不介绍了,感兴趣的可以去问谷哥或度娘。这里简单说一下它的应用:大数因子分解是现在广泛用于电子银行、网络等领域的公开密钥体系 RSA安全性的依据,目前支付宝和微信支付都在采用RSA 2K的加密算法。据说使用目前的电子计算机破解RSA 2K算法需要10亿年的时间,但是,传说如果使用量子计算机破解RSA 2K算法只需要100秒。

Grover量子搜寻算法——搜索算法常用于从 N个未分类的物体中寻找出某个特定的物体,经典算法只能是一个接一个地搜寻,直到找到所要的物体为止,这种算法平均地讲要寻找 N/2次,成功几率为1/2,而采用Grover的量子算法则只需要 √?次。好吧,说人话:假设要从100万个号码的电话本中找出某个指定号码,传统算法需要搜索50万次,成功率是50%;而量子搜索算法只需要1000次,成功率也是50%。

量子退火算法——量子退火算法是模拟退火算法的进阶,模拟退火算法用的是热力学的退火思想找minimum(好吧,这句话来自谷哥,说实话,我也没读懂)。话说,找global minimum是机器学习等领域绕不开且相当费时一个过程,而量子退火可以极好地提速。

目前D-Wave公司制造的量子计算机,实际上只是能够运行特定量子退火算法的量子计算机。即便如此,D-Wave的量子计算机能够给我们这个世界带来的改变,已经是令人惊喜的了。12月初,Google又再次跳出来对全球发布,他们已经基于D-Wave 2X量子计算机,研发出一种量子算法,比传统电子计算机快1亿倍。(好吧,herry已经表示下颌掉了)写到这儿,herry发现还有很多细节想讲,但是已经被编剧喊停了。因此如果有看官对量子计算机有更细节的兴趣,包括对D-Wave公司的量子计算机、量子芯片的拆机详解,欢迎与herry联系。

原文发布于微信公众号 - 腾讯技术工程官方号(Tencent_TEG)

原文发表时间:2016-04-01

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