科技行者NASA、军火商洛克希德·马丁为何千万美元买这台量子计算机?

NASA、军火商洛克希德·马丁为何千万美元买这台量子计算机?

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2019年1月25日 科技行者
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专家们表示我们已经进入了量子计算的新时代,不少企业也开始推出商业化产品。

来源:科技行者 2019年1月25日

关键字:量子计算 NASA 洛克希德马丁 量子计算机 D-Wave

量子计算机可能是目前最热门的各类新生技术中,最易遭到误解的一种。这也难怪,毕竟量子计算机的基本原理立足于最难掌握的物理学概念。这导致人们往往会提出一些荒谬的主张,例如量子计算机能够带来“神奇的力量”,而且会构成“迫在眉睫的威胁”。

但这些显然并非事实——量子计算机的主流应用至少还需要数年甚至数十年之久,而量子算法对当前流行的各类加密策略的实际破解能力可能还需要几十年才会变成现实。

不过,专家们表示我们已经进入了量子计算的新时代,不少企业也开始推出商业化产品。IBM公司最近推出了面向商业用户的设备,而谷歌、Rigetti以及 IonQ 等厂商也已经或者即将提供对基于云的量子处理器的访问服务。与此同时,NASA、美国航空航天制造商洛克希德·马丁公司(Lockheed Martin)以及洛斯·阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Lab)也从一家小型企业手中购置了价格在1000万美元到1500万美元不等的千量子比特量子模拟机——这家企业,正是D-Wave公司。

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图:用于D-Wave量子计算机的光刻掩模

大家可能会好奇,这些巨头为什么会在技术发展的早期阶段投入如此可观的资金购买这么昂贵的设备。

D-Wave国际公司总裁Bo Ewald在接受采访时表示,“这主要是面向研究与实验用途,目前还没有推出生产型应用。”

既然如此,为何如此大费周张?我们向洛克希德马丁公司、洛斯阿拉莫斯国家实验室以及大众汽车等使用D-Wave计算机的客户提出了这个问题。研究人员们给出的回应可以简单归纳为,虽然D-Wave方案尚处于早期发展阶段,但他们希望能够最终利用此类设备解决现实问题——例如预测选举结果、在交通拥堵中为出租车导航、或者从大量背景噪音中准确识别出关键数据。他们希望能够尽早从量子计算的思路出发,考量这些难题的处理方式。

截至目前,还没有谁宣称能够提供为大众带来量子计算能力的杀手级应用方案。虽然D-Wave公司已经证明,其能够实现量子计算模拟,但其它机器仍能够以更快的速度执行类似的任务。然而,如果研究人员借此不断改进自己的探索思路,那么由此带来的成果,将为未来的D-Wave换代机型或者任何其它量子计算机带来有力的推动作用。

从广义角度讲,量子计算机是使用“量子位”或者量子比特,而非常规比特进行计算操作的计算机。常规比特只能进行0或1两种赋值方式,正如只会指向南方或北方的磁体。当计算完成时,量子比特同样必须取0或1中的一个值,但在计算过程中其却可以处于介于两者之间的值。通过亚原子粒子的数学效应,各量子比特之间将相互作用,使得每一个量子比特表现得像是一系列不断翻转的磁体。

算法将负责确定最终值,而最终值可以是这些0和1取值的一种或者多种组合。基于量子数学,其中某些0和1的组合拥有更高的确定机率,而其它组合则被排除在外。

包括谷歌、Rigetti、IBM以及IonQ(这里不包括D-Wave)在内的大多数科技企业都在追求门模型,即希望实现“通用型”量子计算机。这意味着,量子比特以常规比特的形式被部署在电路当中,并接收以“门”(即独立量子力学操作)形式实现的彼此交互的指令。

D-Wave公司则与此不同,他们推出的是所谓“量子退火机”,这更像是一种模拟器而非计算机。大家可以想象一下,那些不停翻转的磁体,D-Wave设备将其表示为超导线圈,其中电流可以朝着顺时针或者逆时针方向行进。现在,这些磁体会在外部电场与磁场中翻转,并最终选择那些首选、能量最低的指向方位。这种方案只适用于一小部分特定计算用例。

这其中就涉及一种量子效应。如果组合磁体发现一种机率几近最低的能量配置,但存在一些屏障阻止其达到实际最低状态,则经典计算机上的算法可能会在这里停止。而在量子退火机中,量子比特仍然可以进一步转换至最低能量状态——其被称为“量子隧穿效应”。

这相当于在桌上的罐子当中放入一块大理石,但同时又希望这块大理石被放置在地板上——这种可能性只有在量子领域内才可能实现。该退火机实际上每秒会执行大量的翻转与测量计算,同时不断改进,直到得出可能的最低能量答案。

这台机器本身看起来有点像是超级计算机——一个体积与壁橱相当的巨大黑色柜体,用于将其中的微波芯片提供极低的工作温度。而且同样与超级计算机类似,希望访问D-Wave机器的人们需要通过自己计算机上的链接接入其处理器,并使用专门的软件向D-Wave发出指令并接收由D-Wave生成的输出结果。

D-Wave公司已经打造出具有128、512以及100量子比特的设备,目前这一纪录已经提升至2049量子比特。这类设备容易出错,且量子比特极易降级为常规比特。关于这些机器的观点一直存在争议,不少人甚至认为D-Wave对自己的设备存在过度吹擂的嫌疑。而且直到现在,量子比特在数量与可控性方面仍然无法给人留下真正深刻的印象,甚至无法承诺其量子比特能够长期保持稳定而不会降级。

这些计算机只能执行可转换为上述磁场翻转示例的计算任务。有证据表明,这些计算机在解决此类问题时确实优于经典计算机,但证据本身仍不够确凿。另外由于来自外部环境的干扰,D-Wave的量子比特很容易失去其量子活动特性。

即使存在种种负面因素,很多企业与研究人员仍然对其抱有浓厚的兴趣。大型强子对撞机与CalTech公司物理学家Maria Spiropulu目前就在使用由洛克希德马丁公司购置,部署于加利福尼亚大学的D-Wave设备,用以识别大型强子对撞机数据中的希格斯玻色子。她和她的团队甚至创建出D-Wave设备模拟器,以供其他人借此检测自己的问题是否有必要在真正的D-Wave机器上进行运算。

Spiropulu表示,“就个人而言,我的兴趣在于探索是否能够在量子计算设备上获得无法从其它机器上实现的新型解决方案,或者借此更快地摸索到可行的解决方向。我希望不要过多地讨论,而是利用一些实际问题对其加以测试。”

洛斯阿莫斯国家实验室研究员Dan O’Malley目前正在尝试使用D-Wave设备解决水文问题,例如预测地面之下是否存在沙子或者粘土。初创企业QxBranch公司高级数据科学家Max Henderson则在使用D-Wave设备重新模拟2016年美国大选初创企业EigenMed公司首席科学官David Sahner希望D-Wave设备能够预测可能出现的健康问题,从而带来更好的医疗保健成效

大众汽车的研究人员们亦在努力优先汽车交通,并于最近开始利用D-Wave计算机解决某个化学问题。顺带一提,在此之前,已经有人尝试利用IBM的门模量子计算机处理同一问题。

上述问题都拥有着一些共通之处:其中包含很多双选题,例如“是否患有糖尿病”、“地下存在粘土或者沙子”、“这个州会投票给民主党人或者共和党人”、“这条路上有车吗”等等。这些属于机会性因素,而两个选项会分别被映射至某个或者某组量子比特当中,而后利用磁场由D-Wave计算机找到可能性最高的解决方案。

虽然某些经典的方法也可以解决类似的问题,但研究人员们希望找到新的方法以利用D-Wave计算机架构描述自己的问题,从而为即将到来的全面量子计算革命做好准备。

而且需要再次强调,这里提到的都是基本的概念验证思维。这些研究人员只想弄清楚D-Wave计算机中奇怪的物理特性,并探索基于概率的量子比特与优化问题解决能力是否真能发挥作用。一般来讲,这些企业不会单纯使用D-Wave的设备,而是同时配合IBM以及其它厂商的量子计算系统。

洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家们也在进行同样的工作:他们正着手测试高性能计算机。洛斯阿拉莫斯国家实验室科学、技术与工程副主任John Sarrao在采访中表示,“这是我们整体高性能计算发展战略中占比不高、但意义重大的组成部分。”

“这项技术似乎非常有趣,量子在其中好像确实发挥了作用,而且能够供那些希望加以尝试的人们体验。对我们来说,这足以说明更为广泛的整体先进计算战略并非不可能,我们也有必要对这一部分进行深入探索。”

在大多数情况下,人们仍然会发现不少D-Wave无法帮助其解决的问题。这同样非常重要。Sarrao指出,“了解哪些工作是可能的、而哪些不可能同样意义重大。无论是发现了一种杀手级应用方式,还是意识到某些问题在量子计算系统上不可行,都属于值得肯定的积极结果。”