模擬化學分子、加速AI研究,IBM說量子計算的重點不是破解密碼

時間:2019-07-23

曉查 發自 凹非寺

量子位 報道 | 公眾號 QbitAI

摩爾定律已逼近極限,算力還能如何增長?

科學家們正在尋找各種替代方法,例如用超導量子處理器,取代現在的傳統計算機。

IBM、谷歌、微軟等公司都在砸重金,積極探索這一領域。

在舊金山的一場芯片展會上,IBM副總裁兼研究院Almaden實驗室主任Jeffrey Welser接受了外媒VentureBeat的採訪,回答了公眾關心的問題。


模擬化學分子、加速AI研究,IBM說量子計算的重點不是破解密碼


量子計算機為何比經典計算機更快,除了破解密碼還有哪些用途,它會有自己的摩爾定律嗎?

量子位對Welser的回答做了編譯整理,希望能幫你瞭解量子計算的現狀和未來。

什麼是量子計算

量子計算是一種計算形式,它利用了一些量子效應,我們認為它可以比傳統算法更有效地處理某些類型的算法。量子計算機的基本單元是量子比特(qubit)。

我們都熟悉常規的比特1或0。量子比特可以是1或0,也可以同時處於1和0的疊加。

此外,你可以糾纏兩個量子比特,或成百上千個量子比特。每當你對其中一個進行操作時,由於糾纏,它會立即確定所有這些量子比特的狀態。

從某種意義上說,它能夠進行大規模並行計算。對應到它上面的算法或問題,可以比經典計算機統快指數倍的速度,更快或更好地完成任務。

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可以做到這一點的例子是化學和材料,它們本身是基於量子化學。這都是量子效應。你可以更精確地以更大的尺度模擬這些分子。

比如咖啡因分子,它有大約95個電子,不是一個特別大的分子,但是如果想在經典計算機上完全模擬它,你必須有10的48次方個經典bit。作為參考,地球上有大約10的50個原子。顯然你永遠無法那樣做。

使用量子系統,如果它是一個非常強大的容錯量子系統,你可以用160個量子比特來做。我們的系統包含50個量子比特,距離160不遠。

如果你去訪問IBM Q網站,可以玩一下16量子比特的系統。從某種意義上說,我們還有幾年的時間去讓量子系統比經典系統更具價值,它並不像以前那麼遙遠。

量子計算機的工作環境

量子計算機做成這樣的結構是因為芯片芯片需要隔離。量子計算芯片在底部,導線全都匯入那裡。

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如果要使用它,會有一個罐子和周圍的東西來做隔離。當它被隔離時,整個系統會降低到低壓,也會降到低溫,這才是真正重要的。

整個裝置從上到下,溫度依次降低。頂部約為40開爾文,然後再下降到4開爾文、100毫開爾文,依此類推。當到達底部時,溫度是15毫開氏度,也就是絕對零度以上千分之15度。作為參考,太空的溫度大約是2到3開爾文。量子計算機的核心溫度比外太空要冷幾百倍。

需要將它冷卻的原因是隔離熱干擾。任何熱能都會使量子比特擺脫我們想要的疊加狀態。即使有了這些隔離,量子比特也僅能保持約100微秒(萬分之一秒)的疊加狀態。

但這仍然是一個很短的時間,我們必須在該時間段內完成所有計算。

量子計算機現在有什麼用?

大多數關注它的人主要集中在三個領域。

其中一個是化學與新材料的發現。

JSR是一家大型半導體聚合物生產商。他們相信當系統足夠大時,量子計算將幫助他們發現具有不同屬性的新材料,以滿足任何必要的應用。材料推動了汽車、電池等產品的快速發展。在三到五年內,我們將擁有足夠大的系統。

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另一個用途是優化。

摩根大通和巴克萊是我們的會員。他們正在考慮使用大型量子蒙特卡羅模擬或其他優化問題,以定價債券或預測非常複雜的金融系統的行為。今天我們用超級計算機能做到這一點,問題是性能有限,你只能模擬這麼多。

最後一個是AI和機器學習。

有一些機器學習問題可以映射到量子系統,量子計算機可以讓你做出比在標準系統上更大的參數和特徵空間集。大約六個月前,我們剛剛發表了一篇相關論文。

還有一點我沒有提到過的,就是大多數人都在想的因子分解密碼學,這種觀點認為量子計算機可能會非常大,因此可能會破解我們正在使用的加密方法。

確實,如果你有一個足夠大的系統,可以分解一個非常大的數字,當前在互聯網上使用的加密類型將是脆弱的。但要實現這一目標,可能需要一個數千甚至上百萬個量子比特的系統,必須非常強大,毫無差錯的量子比特,這是我們今天沒有的。

在我們擁有足夠大的系統之前,至少有10年甚至20年,不需要擔心這個問題。同時,已經有一些已知的加密方法,不能很好地映射到量子計算機上。即使你擁有一個非常龐大的系統,也不會受到攻擊。

現在考慮這些問題還為時過早。

如何看待外界質疑

我們看到它正在逐步向前發展。很多人持懷疑態度,因為只有兩種已知的算法被證明在量子計算機上算得更快。這兩種算法分別是:Shor算法用於因子分解,Grover算法用於搜索。其他一切更多的都是猜測,量子計算機是否真的會更快。


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如果你把量子計算機擴展到一定數量的量子比特,那麼它能比在經典系統上做得更多。有些研究開始運行模擬並表明可以做到這一點,破除了一些懷疑。

另一件事是,我們開始了我們自己的增加量子卷(quantum volume)的路線圖。也就是說,在增加量子比特的同時,找到降低錯誤率的方法。這表明你可以做越來越深的電路,越來越複雜的算法。

量子計算會有摩爾定律嗎

二者不可以直接比較。

我們正在研究的一件事是,希望每年將量子卷增加一倍,類似於摩爾定律將晶體管數量增加一倍的方式。

但這是一個更復雜的問題,因為量子卷增加一倍,不僅需要增加量子比特的數量。這點很容易,在40nm範圍內,我們可以很容易地製造更多的量子比特。

但是如果我們不降低量子比特的錯誤率,那麼即使有更多的量子比特也沒有幫助。

我們希望找到持續定期降低錯誤率的方法,以摩爾定律的模式改進量子卷。但現在涉及的物理學非常不同。

原文鏈接:

https://venturebeat.com/2019/07/14/ibm-research-explains-how-quantum-computing-works-and-could-be-the-the-supercomputer-of-the-future/

— 完 —

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