【科技.未來】另類玩家殺出 量子計算還有幾遠?

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D-Wave展出的電腦取名為「獵戶星座」(Orion),該公司聯合創辦人兼首席技術官Geordie Rose為大家展示了「獵戶星座」的部分應用,分別是:一,在數據庫中搜索蛋白質並找出最接近的配對;二,為參加婚禮的客人設計出最佳的座位安排;三,解決數獨難題(Sudoku Puzzles)。這些應用聽起來有點讓人摸不着頭腦,但Rose解釋,此次演示的目的是在量子電腦上運行商業相關的應用程序,「這在以前是從未做過的,更別說完成了。」

承接上文:《量子電腦——在「平行世界」極速運算》

另類玩家異軍突起

然而,D-Wave在矽谷計算機歷史博物館(Computer History Museum)的展覽甫一結束,不少量子計算專家就對其表示懷疑。打出頭炮的是當時任職於加拿大滑鐵盧大學(University of Waterloo)量子計算研究所的理論計算機科學家Scott Aaronson(現為德州大學奧斯汀分校計算機科學系教授),他發表網誌稱「獵戶星座」解決問題的能力和一個「烤牛肉三明治」不分高下,並批評D-wave只是在炒作。

D-Wave的公司總部位於加拿大。(資料圖片/D-Wave System)

D-Wave聲稱「獵戶星座」擁有16量子位元,可惜的是,該公司只發布了「獵戶星座」在內部運作時最粗淺的細節和數據,以致許多量子電腦專家都不相信D-Wave的技術真的是量子計算。其中一個尖銳批評來自加州大學柏克萊分校的計算機科學教授Umesh Vazirani:「D-Wave稱自己的設備為『實用的量子電腦』,這其實是誤導公眾。相較於傳統電腦,量子計算的重點是極大地提升計算速度,而D-wave根本沒做到!」 Vazirani說,「一個16位元的量子電腦只比手機的處理器強一些,很難說它代表了什麼實用突破……事實上,就算它有上千個量子位元,也不比一部手機強多少。」

D-Wave的稀釋冷凍機及量子處理器。(資料圖片/D-Wave System)

不過,Rose不打算回應這些批評,並認為D-Wave的方法在商業上可行,市場可以大膽採納「獵戶星座」。「我們的方式是讓它開始解決問題。」Rose續說,「速度的快慢成了評判的一個指標。相較於學術方法而言,我們的方法快速且略帶瑕疵,但並非不嚴謹。」

在當時,D-Wave遭受的批評可謂是意料之中。「獵戶星座」所能處理的問題傳統電腦都可以辦到, Rose也承認「獵戶星座」的設計仍然處於非常初步的階段,「就解決問題所需的實際時間而言,『獵戶星座』比運行最佳演算法的傳統電腦慢約100倍。」

2018年6月,美國能源部旗下的橡樹嶺國家實驗室建成聲稱是目前世界上最快的超級電腦,這台超級電腦的最高性能達到了93千帕,每秒能夠進行超過3億次的混合精度計算。而即便如此,一旦「量子霸權」實現,量子電腦的速度仍然將快過這台超級電腦。(資料圖片/視覺中國)

國防企業搶先試用

僅僅九個月之後,D-Wave又向外界展示了27量子位元的處理器原型。D-Wave在量子位元上逐漸加碼。2011年,這家公司推出了128量子位元的D-Wave One,售價近1,000萬美元。這台機器推出僅四天,世界最大的國防工業承包商洛歇馬丁(Lockheed Martin)就和D-Wave簽署了一份購買其機器及維護服務的長年合同。洛歇馬丁的核心業務涉及大量的驗證和確認(verification and validation,簡稱V&V)工作,洛歇馬丁首席科學家Ned Allen希望D-Wave的設備可以幫助公司降低V&V的成本和時間。

2013年5月,洛歇馬丁將D-Wave One升級為512量子位元的D-Wave Two。首席技術員Ray Johnson透露,公司將利用這台設備開發和測試複雜的雷達、航天和航空器等系統,例如,它將能夠即時得知運行數百萬行代碼的衛星網絡,對太陽黑子爆發或來自核爆炸的脈衝作何反應。現時傳統電腦的技術即便可以完成這類任務,也要用上數周時間。

「獵戶星座」推出僅四天,世界最大的國防工業承包商洛歇馬丁(Lockheed Martin)便和D-Wave簽署了一份購買其機器及維護服務的長年合同。(資料圖片/Lockheed Martin)

儘管D-Wave自2011年起便開始對外銷售設備,但其惹起的質疑和爭議之聲仍源源不絕。爭議的原因在於D-Wave使用的實現方案和物理模型與絕大部分競爭對手有所不同。通用的量子電腦大多利用量子邏輯閘(logic gate)操作量子位元來進行計算,而D-Wave認為這種量子電腦的標準模型「是個很差的主意」,因此另闢蹊徑,採用「絕熱量子計算」(Adiabatic quantum computing)的物理模型。D-Wave的選擇令其注定成為量子電腦界的「另類玩家」。與其他公司研發的通用量子電腦不同,D-Wave只能運行一種演算法,即「量子退火」(quantum annealing)演算法,因為D-Wave設備的構造本身就是基於量子退火設計的。

「作為一種計算方法,量子退火用來解決優化的問題(optimization problems)。幾乎所有學科和領域都需要優化,比如說遺傳學、金融、機器翻譯、生物信息學、醫療診斷等等。」Rose在接受《福布斯》(Forbes)雜誌訪問時這樣解釋量子退火的優點,「在量子退火中,量子位元始終保持於『基態』(Ground State),即最低能量的狀態——這是量子系統的自然設定,就如水總是往低處流一樣。其他的演算法(例如質因數分解演算法)要求量子位元保持在高度不穩定的激發態(Excited State),這使得很難精確地控制量子位元,以至於連小數的因式分解都很難做到。」

事實上,愈來愈多人傾向於相信D-Wave的設備是一台具有量子加速效應的專用量子電腦。D-Wave的最新設備D-Wave 2000Q System據稱已經具備了2,000個量子位元,數量是當前的通用量子電腦所無法想像的,但無可否認的是,演算法決定設備的最終價值,而D-Wave的設備終究只能解決特定的問題。

即便如此,一旦這種專用型量子電腦在硬件和演算法層面都趨於成熟,其應用前景還是頗為可觀的。除了在2013年購買D-Wave的設備,Google的研究人員亦已經開始與D-Wave合作,利用D-Wave One系統編寫程式,「這個程式可以識別路上的汽車和地面標誌物,其他的終端設備(例如移動電話)亦可使用。這是目前為止最佳的路面辨識軟件,將是管理無人駕駛的關鍵一步。」Rose舉例道。

Google利用D-wave的設備編寫程式,該程式可以辨別路上的汽車和地面標誌物。D-Wave聲稱該程式是現時最佳的路面辨識軟件,有利於管理無人駕駛。圖為韓國第一輛無人駕駛巴士。(資料圖片/視覺中國)

快傳統電腦一億倍?

2015年,Google的研究團隊發表了一篇論文,比較了D-Wave 2X量子電腦與一部單核心電腦在若干涉及量子退火演算法的問題上的表現,稱D-Wave的速度是傳統電腦的一億倍。然而,這一億倍究竟是怎麼得出來的?瑞士蘇黎世聯邦理工學院教授Matthias Troyer提醒大眾仔細解讀論文裏的說法,「他們首先選了一個特定問題,而這個問題用經典演算法特別困難,但D-Wave恰巧在這問題上具有優勢,所以取得了比普通電腦快一億倍的驕人成績。」換言之,Matthias Troyer承認一億倍加速的存在,然而,這一億倍的加速只在某個特定範圍內有效,而加速的實用性仍然存疑。

自稱「D-Wave首席質疑官」(Chief D-Wave Skeptic)的Aaronson過去不乏痛斥D-Wave之言,這次雖稍稍鬆了手,但仍然對D-Wave表示質疑。他認為Google這篇論文給出了「關於D-Wave能力到目前為止最為清晰的展示」,而「D-Wave 2X是一個偉大的工程」,但D-Wave需要回答一些更根本的問題,比如「糾錯能力的缺失、有限溫度量子退火的限制、明確的量子加速證據,以及急着搞出更多而不是質量更好的量子位元」,而這些問題「似乎和十多年前D-Wave所作出的根本設計選擇息息相關」。換言之,Aaronson仍然懷疑D-Wave的量子退火設備能不能算是「真正的量子電腦」。

D-Wave的最新設備D-Wave 2000Q System據稱已經具備了2,000個量子位元。(資料圖片/D-Wave System)

對D-Wave似褒實貶之後,Aaronson不忘提醒大家去關注一些更令人興奮的成就。他提到兩面下注的Google——Google不僅從D-Wave購入設備,自己也組建了研發量子電腦的團隊,並延攬了加州大學聖塔芭芭拉分校物理學教授John Martinis領導團隊。「Google現在有相干(coherence)時間比D-Wave高數倍的超導量子位元,並對其中的9個量子位元展示了量子糾錯。他們現在討論的是將其擴展到大約40個質量超高的、耦合可控的量子位元——不是遙遠的未來,是在最近幾年——如果他們做到了這一點,我將非常樂觀地認為,他們將能夠就某件事情展示出明顯的量子優勢。」Aaronson還精要地概括了Rose頗為不屑的實現量子計算的「學術方法」,即「理解量子位元、控制它們、保持其量子力學的特性,最終在此基礎上將其擴展」。Aaronson相信,只要把握以上要點,量子計算「終會結出多汁的果實」。

就當Aaronson對Google的溢美之詞仍言猶在耳,Google量子AI實驗室便於去年3月公布了名為「Bristlecone」的72量子位元處理器,這個基於量子邏輯閘的超導系統目的在於研究量子位元技術的系統誤差率和可擴展性,以及在量子模擬、優化和機器學習的應用。Martinis接受訪問時表示,測試才剛剛開始,「從目前所知道的情況來看,我們非常樂觀。如果一切運行良好,量子霸權(quantum supremacy)可能會在幾個月內實現。」所謂「量子霸權」,意即量子電腦已經達到超越任何超級電腦的運算能力。 

對於Google發布的這個消息,Aaronson在其網誌中指,「Bristlecone的72個量子位元需要逐個進行精心校準。更重要的是,即使處理器在未來一兩年內全面運作,它可能需要一段時間才能進行量子模擬……對於量子計算真正到來所需的時間,我的預測傾向保守。」事實上,無論是對Google抑或D-Wave的研發進展, Aaronson都沒有言之鑿鑿的肯定或否定。但有一點是確定的:在2019年,再問量子計算可不可能已經不合時宜。

上文節錄自第149期《香港01》周報(2019年2月11日)《從理論走進現實 量子電腦:在「平行世界」極速運算》。

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