量子計(jì)算的時(shí)代何時(shí)真正開始？

微軟Build 2018 大會(huì)的第二天，微軟副總裁、量子計(jì)算部門的負(fù)責(zé)人 Todd Holmdahl 向外界透露，微軟能夠在五年內(nèi)造出第一臺(tái)擁有 100 個(gè)拓?fù)淞孔颖忍氐牧孔佑?jì)算機(jī)，并且將其整合到 Azure 當(dāng)中。而 100 個(gè)拓?fù)淞孔颖忍氐挠?jì)算能力，最高可以相當(dāng)于 1000 個(gè)邏輯量子比特，這意味著 5 年之后，微軟已經(jīng)可以用量子計(jì)算機(jī)解決很多實(shí)際問題了。

對(duì)于很多人來說，量子計(jì)算和人工智能一樣，一直是個(gè)未來時(shí)科技：很早就聽說，一直在進(jìn)展，但離目標(biāo)始終差五年。就開發(fā)者而言，幸好量子計(jì)算一直“停在未來”，這樣一方面我們可以饒有興致地欣賞巨頭們?cè)谂懿綑C(jī)上的一路狂奔，另一方面又不必?fù)?dān)憂量子計(jì)算真的會(huì)對(duì)自己職業(yè)造成什么沖擊。

然而最近幾年以來，我們已經(jīng)開始聽到火山爆發(fā)前巖層的積壓破碎之聲。IBM、Google 先后宣布了量子計(jì)算機(jī)的進(jìn)展，越來越多的學(xué)者宣稱說量子計(jì)算機(jī)即將成為現(xiàn)實(shí)。根據(jù)現(xiàn)在的進(jìn)展，我們可以肯定地說，當(dāng) 21 世紀(jì)結(jié)束的時(shí)候，本世紀(jì)將會(huì)被歸納為“量子計(jì)算”的世紀(jì)。

但問題在于，量子計(jì)算的時(shí)代何時(shí)真正開始？

這對(duì)于技術(shù)人員來說，是個(gè)至關(guān)重要的問題。因?yàn)榱孔佑?jì)算一旦落地，將從根本上重新定義計(jì)算這件事，我們所學(xué)的每一個(gè)算法都可能要重寫，我們?cè)谶@個(gè)領(lǐng)域所取得的所有學(xué)位都可能需要回爐，所有成果都需要翻新。

舉個(gè)例子，今天的區(qū)塊鏈和加密數(shù)字貨幣普遍依賴 256 位的哈希函數(shù)和非對(duì)稱加密方案。在經(jīng)典的馮諾依曼計(jì)算機(jī)體系中，即便我們調(diào)動(dòng)全球的算力，破解一個(gè)密碼、或者尋找一次哈希碰撞也需要數(shù)萬年的時(shí)間。這是加密數(shù)字貨幣安全性的根源。比特幣的擁躉認(rèn)為，中本聰通過二次哈希，已經(jīng)做到了“防量子計(jì)算破解”，事實(shí)果真如此嗎？

在微軟 Build 2018 大會(huì)的第二天，微軟副總裁、量子計(jì)算部門的負(fù)責(zé)人 Todd Holmdahl 向外界透露了微軟量子計(jì)算的一些最新進(jìn)展，他直截了當(dāng)?shù)刂赋?，微軟能夠在五年?nèi)造出第一臺(tái)擁有 100 個(gè)拓?fù)淞孔颖忍氐牧孔佑?jì)算機(jī)，并且將其整合到 Azure 當(dāng)中。而 100 個(gè)拓?fù)淞孔颖忍氐挠?jì)算能力，最高可以相當(dāng)于 1000 個(gè)邏輯量子比特，這意味著 5 年之后，微軟已經(jīng)可以用量子計(jì)算機(jī)解決很多實(shí)際問題了。

這是一個(gè)令人感到震驚的消息。微軟這個(gè)級(jí)別的玩家投資研究量子計(jì)算機(jī)絕對(duì)不是什么新聞，事實(shí)上早在 2016 年底，Todd Holmdahl 履新不久的時(shí)候，他就接受過 ZDNet 的采訪，并透露了微軟進(jìn)軍量子計(jì)算的情況。但令人沒想到的是，微軟在這個(gè)方面的進(jìn)步速度如此之快，足以促使我們向所有開發(fā)者亮起警報(bào)。

圖1 Todd Holmdahl, Corporate VP, Microsoft

Todd Holmdahl 是一位經(jīng)驗(yàn)豐富的硬件系統(tǒng)主管，在接手量子計(jì)算機(jī)部門之前，他負(fù)責(zé)過 XBox 和 HoloLens 的部門，是將系統(tǒng)產(chǎn)品化投入市場(chǎng)的高手。因此，微軟兩年前將他放在量子計(jì)算部門負(fù)責(zé)人的位置上，這本身就表明了對(duì)量子計(jì)算投入實(shí)用的一個(gè)判斷。

根據(jù) Todd 的介紹，微軟的量子計(jì)算有三大優(yōu)勢(shì)。

第一個(gè)優(yōu)勢(shì)是微軟獨(dú)特的路線，即采用“拓?fù)淞孔颖忍兀═opological qubit）”進(jìn)行計(jì)算，而不是普通的“邏輯量子比特（logical qubit）”。這里的拓?fù)?，就是?shù)學(xué)中的拓?fù)?。在?shù)學(xué)里，拓?fù)涫茄芯磕切┰谶B續(xù)形變過程中保持不變的數(shù)學(xué)性質(zhì)，形象的說，如果你有一塊某種形狀的橡皮泥，在不撕裂和重新粘合的情況下，隨便你怎么捏、擠、搓、拉，只要最后能從形狀 A 變成形狀 B，那么在拓?fù)鋽?shù)學(xué)來看，A 和 B 就是同一個(gè)東西。

圖2 三組拓?fù)涞葍r(jià)的物體

這事跟量子計(jì)算有什么關(guān)系呢？

常規(guī)的量子計(jì)算使用一種所謂“邏輯量子比特”來編寫程序，放在模擬器上調(diào)試和測(cè)試，然后再把程序放在量子計(jì)算機(jī)上，由真正的物理量子比特來執(zhí)行。對(duì)于這種常規(guī)的量子計(jì)算機(jī)來說，好消息是物理學(xué)家已經(jīng)找到符合要求的基本物理粒子，你只要把程序?qū)懗鰜?，肯定能夠造出量子?jì)算機(jī)來執(zhí)行。壞消息是什么呢？壞消息就是這種量子計(jì)算機(jī)很難造大。

量子計(jì)算機(jī)能力的“大”和“小”，基本上取決于其量子比特的數(shù)量。而在傳統(tǒng)架構(gòu)下，量子比特的數(shù)量一多，錯(cuò)誤率就會(huì)急劇上升。錯(cuò)誤從哪里來？來自所謂的“局部噪音（Local Noise）”。

要知道，量子是微觀粒子，哪怕極其微小的電磁場(chǎng)都會(huì)對(duì)量子構(gòu)成干擾，產(chǎn)生所謂“局部噪音”。這也就是為什么量子計(jì)算機(jī)要放在接近絕對(duì)零度（約-273攝氏度）的容器里，嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)地封閉起來，對(duì)外界干擾嚴(yán)防死守。盡管如此，當(dāng)量子比特?cái)?shù)量迅速增加的時(shí)候，這一團(tuán)基本粒子對(duì)于外界的干擾會(huì)越來越敏感，導(dǎo)致計(jì)算錯(cuò)誤率劇增。造量子計(jì)算機(jī)，這是一個(gè)巨大的難題。

而拓?fù)淞孔颖忍鼐筒煌?，它是通過基本粒子的拓?fù)湮恢煤屯負(fù)溥\(yùn)動(dòng)來處理信息的。剛才說過，無論外界的干擾怎么蹂躪它的運(yùn)動(dòng)路徑，只要它還是連續(xù)變化，從拓?fù)浣嵌葋砜?，下面兩個(gè)運(yùn)動(dòng)是等價(jià)的：

圖3 上下兩圖中，兩個(gè)基本粒子對(duì)換位置，雖然路徑不同，但在拓?fù)鋪砜赐耆葍r(jià)

這也就是說，用拓?fù)淞孔颖忍剡M(jìn)行計(jì)算，對(duì)于外界的干擾有極強(qiáng)的容錯(cuò)能力。這樣一來，基于拓?fù)淞孔颖忍氐挠?jì)算機(jī)就可以把規(guī)模做得很大，能力做得很強(qiáng)。

既然拓?fù)淞孔颖忍剡@么好，為啥 IBM 和 Google 不用呢？原因很簡(jiǎn)單，符合拓?fù)淞孔颖忍卦O(shè)想（非阿貝爾群任意子，Non-abelian Anyons）的基本物理粒子還沒有在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，物理學(xué)家也不確定是否一定能夠找到這樣的基本粒子。如果找不到的話，那么理論上量子計(jì)算程序再漂亮，實(shí)踐中造不出相應(yīng)的物理量子計(jì)算機(jī)，那也只能是空歡喜一場(chǎng)。

問題來了，微軟是當(dāng)前唯一一個(gè)壓寶在拓?fù)淞孔佑?jì)算上的科技巨頭，而且 Todd Holmdahl 信誓旦旦幾年內(nèi)就可以造出 100 個(gè)量子比特的計(jì)算機(jī)，他的底氣何在？難道就不怕空歡喜一場(chǎng)？又或者，他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)偷偷取得了關(guān)鍵的突破，確保能夠兌現(xiàn)諾言？

對(duì)此我們尚不得而知，但是我們知道的是，Todd 的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在這種量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算控制技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)方面取得了堅(jiān)實(shí)的進(jìn)步，這大概是他信心的來源，也是微軟在這個(gè)領(lǐng)域的獨(dú)門絕技。

這個(gè)技術(shù)一旦取得突破，長(zhǎng)期困擾我們的諸多計(jì)算難題，將迎刃而解。例如著名的旅行商問題，各種 NP 完全問題，在量子計(jì)算機(jī)中將勢(shì)如破竹地被解決。再比如，廣泛應(yīng)用的 RSA 非對(duì)稱加密算法，其安全性完全依賴于因式分解難題：就是把兩個(gè)大素?cái)?shù)乘起來得到一個(gè)更大的合數(shù)，這個(gè)計(jì)算可以很快，但是反過來，給你一個(gè)巨大的合數(shù)，讓你找到它是哪兩個(gè)大素?cái)?shù)的乘積，這就難比登天了。

對(duì)于 2048 位的 RSA 密碼，想要破解，就經(jīng)典的馮諾依曼計(jì)算機(jī)來說，哪怕是全球最強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)，也需要花上十億年才能完成。而對(duì)于量子計(jì)算機(jī)來說，如果量子比特?cái)?shù)量足夠，在 100 秒內(nèi)就可以破解。這意味著當(dāng)前幾乎所有信息密碼學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施將完全作廢。而前面提到的比特幣，盡管中本聰已經(jīng)針對(duì)量子計(jì)算的威脅進(jìn)行了一系列的加密防護(hù)，但其可靠性也將大大下降。理論上講，必須嚴(yán)格遵守“一交易一地址”的模式，才能讓比特幣在量子計(jì)算的威脅下再茍延殘喘一段時(shí)間。

另一方面，高量子比特的量子計(jì)算機(jī)對(duì)于機(jī)器學(xué)習(xí)的優(yōu)化任務(wù)來說，是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)。做過機(jī)器學(xué)習(xí)的人都知道，在模型訓(xùn)練當(dāng)中，計(jì)算時(shí)間主要消耗在優(yōu)化環(huán)節(jié)上。而優(yōu)化過程，經(jīng)常被比喻為爬山（或下山），就是在一個(gè)高維空間的曲面里尋找全局最高點(diǎn)（或最低點(diǎn)）。所以很多機(jī)器學(xué)習(xí)算法都會(huì)絞盡腦汁構(gòu)造一個(gè)凸曲面，因?yàn)檫@樣一來，全局的最優(yōu)點(diǎn)只有一個(gè)，找它就比較簡(jiǎn)單，單純跟著坡度上下即可。

但是實(shí)踐當(dāng)中大量的問題構(gòu)造不出那么漂亮的凸曲面，而是起起伏伏，這山望著那山高。雖然算法上也有一些處理辦法，但是速度就被嚴(yán)重拖慢了。在這種情況下，量子計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)直就是救世主，形象地說，量子面對(duì)這些起起伏伏的曲面，就好像可以穿山一樣，不用一步步地爬，而是一下子穿過去，形成判斷，由此大幅度的減少模型訓(xùn)練的時(shí)間。

在展示中，Todd 舉了一個(gè)例子，他的團(tuán)隊(duì)對(duì)北京市的交通優(yōu)化進(jìn)行了一個(gè)測(cè)試，也就是說如何調(diào)度所有的機(jī)動(dòng)車和交通設(shè)施來達(dá)成某一個(gè)特定的交通目標(biāo)，在我大帝都生活過的人來說，都知道在宇宙中心做一個(gè)這樣的優(yōu)化意味著什么。而 Todd 的團(tuán)隊(duì)利用量子計(jì)算的算法，將本來需要在超級(jí)計(jì)算機(jī)上花費(fèi)數(shù)個(gè)小時(shí)才能訓(xùn)練出來的模型，在 PC 上用了區(qū)區(qū) 200 毫秒就給訓(xùn)練出來了，整整提速 4000 倍。這還只是在當(dāng)前技術(shù)水平上，在未來裝備了 Brainwave 芯片（微軟新推出的基于 FPGA 技術(shù)的 AI 芯片）的機(jī)器上，可以更快。

微軟的第二個(gè)優(yōu)勢(shì)是會(huì)將未來的量子計(jì)算機(jī)與 Azure 整合，從而使之成為 Azure 的一部分。

在 Build 2018 首日的開場(chǎng)演講中，微軟 CEO Satya Nadella 明確的說，Azure 的愿景是要成為全球計(jì)算機(jī)。毫無疑問，如果五年之后，Todd 團(tuán)隊(duì)研發(fā)出來的量子計(jì)算機(jī)被加入到 Azure 之中，那就意味著全世界的 Azure 用戶都有機(jī)會(huì)使用這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)解決問題。我們幾乎可以設(shè)想，到時(shí)候會(huì)有一大批用戶排著隊(duì)等著使用這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，為此不惜付出高昂的“上機(jī)費(fèi)”，這對(duì)于 Azure 業(yè)務(wù)來說意味著什么，當(dāng)然不言自明。當(dāng)然，用戶們肯定能從中得到更多回報(bào)，比如把中本聰?shù)?96 萬枚比特幣據(jù)為己有。

微軟的第三個(gè)優(yōu)勢(shì)是開發(fā)工具整合。兵馬未動(dòng)，糧草先行，搞開發(fā)工具一向是微軟最擅長(zhǎng)的。

微軟已經(jīng)推出了 Q# 量子計(jì)算編程語言，并集成到 Visual Studio 當(dāng)中。與此同時(shí)，微軟也提供了本地和云上的量子計(jì)算機(jī)模擬器，讓你能提前嘗鮮，在經(jīng)典的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)上嘗試量子計(jì)算。當(dāng)然，微軟也提供了大量的文檔和案例。感興趣的開發(fā)者今天就可以學(xué)習(xí)和嘗試量子編程。

圖4 Visual Studio 中的 Q# 量子程序設(shè)計(jì)語言

總之，一切都來得比預(yù)想的要快。下面的問題就是，什么時(shí)候開始學(xué)習(xí)量子計(jì)算是最合適的時(shí)機(jī)？對(duì)此，Todd 的答案非常驚悚：六年前。他介紹說，當(dāng)自己的兒子只有十七八歲，剛剛進(jìn)入斯坦福校園學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)科學(xué)的時(shí)候，他給了他兒子一個(gè)忠告，讓他從大一就開始關(guān)注和學(xué)習(xí)量子計(jì)算，因?yàn)樗麄冞@一代人將注定在量子計(jì)算時(shí)代工作和生活。也許對(duì)于大多數(shù)人來說，這件事情還沒有那么緊迫，但是不出意外的話，我們中的大多數(shù)人將活著作出這樣的決定：學(xué)習(xí)，或是被淘汰。