由DT與麻省理工學(xué)院聯(lián)合舉辦的全球新興技術(shù)大會(huì)中國(guó)即將開(kāi)幕。 本文涉及的內(nèi)容將與本論壇密切相關(guān)，敬請(qǐng)關(guān)注。
量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)發(fā)展了 20 多年，至今仍被視為一種神秘的信息處理方式。 不過(guò)，當(dāng)D-Wave推出商用產(chǎn)品時(shí)，包括IBM、英特爾、微軟在內(nèi)的各大公司也在多年前就開(kāi)始了相關(guān)研究。 起初甚至有消息稱(chēng)芯片代鞋廠(chǎng)海力士有意以3納米制程入駐日本，這也是研究量子計(jì)算機(jī)的誘因。 父親安迪·魯賓今年公開(kāi)表示，他正在著手打造新的量子計(jì)算機(jī)，以加速大數(shù)據(jù)分析和人工智能技術(shù)的變革。 隨著眾多重量級(jí)企業(yè)和個(gè)人的投入，量子計(jì)算機(jī)被視為下一代的關(guān)鍵技術(shù)。
其中，領(lǐng)先科技聘請(qǐng)了在量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域享有資深人士之稱(chēng)的加州大學(xué)圣巴巴拉中學(xué)（）院長(zhǎng)約翰。 DT君深入量子人工智能實(shí)驗(yàn)室（AILab），通過(guò)采訪(fǎng)約翰大師，揭開(kāi)了實(shí)驗(yàn)室的神秘面紗。
日本圣巴巴拉小鎮(zhèn)因靠近海岸、氣候宜人，長(zhǎng)期以來(lái)以休閑度假著稱(chēng)。 這里有一間看起來(lái)很普通的辦公室，只有玻璃門(mén)上貼著一張小紙片，上面有一個(gè)標(biāo)志。 走進(jìn)去才知道，量子人工智能實(shí)驗(yàn)室就設(shè)在這里。
圖丨AILab隱藏在圣巴巴拉普通辦公室外。 （圖片來(lái)源：DT君）
對(duì)量子計(jì)算機(jī)的投入可謂利好。 2009 年底，研究團(tuán)隊(duì)在 NIPS 會(huì)議上展示了使用 D-Wave 處理器訓(xùn)練圖像分類(lèi)器，讓計(jì)算機(jī)檢測(cè)器通過(guò)查看 20,000 張照片來(lái)學(xué)習(xí)區(qū)分汽車(chē)。 2013年與NASA、USRA合作共建AILab。 次年，宣布加州大學(xué)圣巴巴拉中學(xué)（）院長(zhǎng)約翰及其研究團(tuán)隊(duì)加入實(shí)驗(yàn)室，領(lǐng)導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的硬件和芯片設(shè)計(jì)。
圖丨加州大學(xué)圣巴巴拉學(xué)院院長(zhǎng)約翰負(fù)責(zé)帶領(lǐng)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)量子計(jì)算機(jī)的硬件和芯片。 （圖片來(lái)源：DT君）
實(shí)驗(yàn)室三大研究主題
到底什么是量子計(jì)算機(jī)？ 雖然從事科技行業(yè)的人，但大多只是聞其名而不知其所以然。 對(duì)于普通人來(lái)說(shuō)，它更像是一個(gè)會(huì)出現(xiàn)在懸疑系列中的名詞。
簡(jiǎn)單的說(shuō)，在現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)世界（可以稱(chēng)之為傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)）中，比特是所有數(shù)字信息的最小單位，每一比特只有兩種可能的取值，要么是0，要么是1，所以人們常說(shuō)：計(jì)算機(jī)是一個(gè) 0 和 1 的世界。 在實(shí)際操作中，各種邏輯運(yùn)算都是根據(jù)電壓是否流過(guò)邏輯門(mén)來(lái)完成的。 因此，0和1可以理解為開(kāi)（On）或關(guān)（OFF）兩種狀態(tài)。 計(jì)算機(jī)就是通過(guò)一系列的0和1來(lái)執(zhí)行運(yùn)算、存儲(chǔ)等任務(wù)。
相比之下，量子計(jì)算機(jī)的基本單位是量子位（qubit）。 與傳統(tǒng)比特最大的區(qū)別在于，一個(gè)量子比特可以同時(shí)擁有0、1及其線(xiàn)性疊加態(tài)（）。 研究人員認(rèn)為，如果能夠研制出量子比特更多的量子計(jì)算機(jī)，執(zhí)行任務(wù)的速度將得到極大提升，遠(yuǎn)超當(dāng)今的計(jì)算機(jī)。
同樣在研發(fā)量子計(jì)算機(jī)技術(shù)的IBM強(qiáng)調(diào)，未來(lái)10年可以建造50-100臺(tái)量子計(jì)算機(jī)。 雖然它是當(dāng)今最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)，但還不如 50 量子計(jì)算機(jī)。
圖1與傳統(tǒng)比特的區(qū)別在于，量子比特可以同時(shí)具有0、1及其線(xiàn)性疊加態(tài)。 （圖片來(lái)源：CB）
我之所以對(duì)量子計(jì)算機(jī)深感興趣，主要有兩個(gè)層面的需求：
第一，我們?cè)谌蛴泻芏鄶?shù)據(jù)中心，希望通過(guò)高性能的計(jì)算處理器或者估算方法，為用戶(hù)提供更快的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；
其次，它希望通過(guò)部署各種具有前瞻性和突破性的技術(shù)來(lái)保持其在業(yè)務(wù)或技術(shù)上的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。
“我們實(shí)驗(yàn)室主要研究三個(gè)領(lǐng)域，第一個(gè)是研究通用量子計(jì)算機(jī)（），第二個(gè)是連續(xù)介質(zhì)模擬器（），最后是量子固溶體（），這有點(diǎn)類(lèi)似于D-Wave在做”約翰透露道。
目前，量子人工智能實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)約有20人。 其中，理論研究和硬件設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)約占一半，從研究到電子設(shè)計(jì)、軟件開(kāi)發(fā)，再到半徑一分米左右的芯片整形，都是這群人完成的。
推開(kāi)實(shí)驗(yàn)室的大門(mén)，映入眼簾的是測(cè)試區(qū)、無(wú)塵室、專(zhuān)門(mén)建造的冷卻系統(tǒng)，以及22臺(tái)插著多條線(xiàn)路運(yùn)行的量子計(jì)算機(jī)。
約翰說(shuō)：我們現(xiàn)在有四個(gè)冷凍機(jī)（指冷卻系統(tǒng)），很快就會(huì)減少到七個(gè)，用來(lái)把我們?cè)O(shè)計(jì)的設(shè)備冷卻到特別高的溫度狀態(tài)。 這個(gè)冷卻系統(tǒng)是業(yè)界根據(jù)我們需要的尺寸設(shè)計(jì)的。 看起來(lái)挺復(fù)雜的，但基本原理和家用冰柜是一樣的，只不過(guò)是用氫氣制冷（）。
量子計(jì)算機(jī)芯片的制造可以分為兩部分，一是在實(shí)驗(yàn)室制作量子比特芯片，二是利用現(xiàn)有的商業(yè)芯片代工廠(chǎng)。 整體工藝采用光刻（）工藝，超導(dǎo)電路（）代替制作單個(gè)晶體，最后借助特殊材料，即10微米左右的銦（），以及引線(xiàn)鍵合（）工藝。 將芯片上下兩部分合二為一。
圖丨約翰旁邊的門(mén)打開(kāi)是實(shí)驗(yàn)室。 （圖片來(lái)源：DT君）
John強(qiáng)調(diào)，即使現(xiàn)有的大部分半導(dǎo)體工具都可以用來(lái)構(gòu)建芯片，但最困難的部分是：首先，芯片的電子設(shè)計(jì)不僅要能運(yùn)行而且穩(wěn)定，其次，專(zhuān)用算法必須設(shè)計(jì)。 問(wèn)題湊到一起，難度加大，量子計(jì)算機(jī)無(wú)法突破。
但經(jīng)過(guò)學(xué)術(shù)界20多年的努力，逐漸取得了一些進(jìn)展。 約翰自信地說(shuō)：“我們希望做出一些可用的東西，目標(biāo)是在去年年底實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)（）。”
再用四分之一實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)
量子至上是指當(dāng)量子比特?cái)?shù)超過(guò)49或50個(gè)左右時(shí)，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力將大幅超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)甚至超級(jí)計(jì)算機(jī)。 約翰將挑戰(zhàn)在去年??年底前塑造一臺(tái) 49 或 50 量子計(jì)算機(jī)。
事實(shí)上，達(dá)到 49 個(gè)量子比特并非一蹴而就。 該團(tuán)隊(duì)最初設(shè)計(jì)了一臺(tái) 9 量子位計(jì)算機(jī)。 在過(guò)去的幾年里，他們一直致力于電子、軟件和基礎(chǔ)設(shè)施方面的工作。 現(xiàn)在他們?cè)?22 上花費(fèi)了很多時(shí)間。
他覺(jué)得從 9 歲到 49 歲似乎是倒退了一大步。 目前22的結(jié)果還算不錯(cuò)，但是49比較復(fù)雜，需要更多的測(cè)試和詳細(xì)的處理，不過(guò)他還是很有信心的，月底能對(duì)外公布。 證明量子霸權(quán)的能力。 但他也指出，關(guān)鍵點(diǎn)不在于量子位的數(shù)量，而是必須設(shè)計(jì)一個(gè)能夠很好協(xié)同工作的系統(tǒng)，并且每個(gè)環(huán)節(jié)都必須同時(shí)運(yùn)行。
圖丨量子人工智能實(shí)驗(yàn)室辦公環(huán)境。 （圖片來(lái)源：DT君）
應(yīng)用于量子物理學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)的量子計(jì)算機(jī)
然而，盡管擁有 49 個(gè)量子比特，這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)距離廣泛應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。 主要原因是量子計(jì)算機(jī)不像現(xiàn)有計(jì)算機(jī)那樣是通用計(jì)算機(jī)。 現(xiàn)在你的電腦基本上可以運(yùn)行各種程序，處理各種問(wèn)題，但“并不是所有的傳統(tǒng)問(wèn)題都能在量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，??而且不一定有更好的療效。量子計(jì)算機(jī)只適用于個(gè)別特殊問(wèn)題，而處理任務(wù)的范圍會(huì)比較小。” 約翰說(shuō)。
許多人認(rèn)為量子計(jì)算機(jī)適合計(jì)算大量數(shù)據(jù)，例如氣候變化、新抗生素或療法的開(kāi)發(fā)等。對(duì)此物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M器下載免費(fèi)，約翰強(qiáng)調(diào)現(xiàn)階段各行各業(yè)對(duì)量子計(jì)算機(jī)的投資就是先證明量子霸權(quán)，下一步就是想辦法想出有用的算法。 他非常刻薄地說(shuō)：“因?yàn)橐业竭@樣的算法極其困難。另外，我不知道量子計(jì)算機(jī)是否適合氣候，但我們正在考慮的應(yīng)用是量子物理（）。”
量子物理學(xué)是應(yīng)用量子力學(xué)的規(guī)律和方法研究物理問(wèn)題的學(xué)科。 最早提出量子計(jì)算機(jī)的化學(xué)家理查德·費(fèi)曼就曾經(jīng)提出過(guò)這樣的想法：如果你建造了一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，那么量子物理自然會(huì)映射到量子計(jì)算機(jī)上。 事實(shí)上，目前科學(xué)家們可以使用超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)觀察分子的化學(xué)特性（），但量子計(jì)算機(jī)可以比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更高效地解決問(wèn)題，這也是為什么約翰自然而然地覺(jué)得這應(yīng)該是量子計(jì)算機(jī)應(yīng)該做的第一件事事物。
不僅僅是量子物理學(xué)，他們正在思考的另一件事是使用量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)。
“這就是為什么這個(gè)實(shí)驗(yàn)室被稱(chēng)為量子人工智能實(shí)驗(yàn)室。” 機(jī)器學(xué)習(xí)在單個(gè)計(jì)算機(jī)模型上工作，而量子計(jì)算機(jī)的思想是讓你找到更適合或更好工作的方法。 我相信機(jī)器學(xué)習(xí)會(huì)帶來(lái)重要的技術(shù)變革，其影響程度會(huì)像過(guò)去的個(gè)人筆記本、互聯(lián)網(wǎng)、智能手機(jī)一樣改變?nèi)祟?lèi)的生活，
約翰透露，雖然目前的發(fā)展?fàn)顟B(tài)不如量子物理學(xué)，但也有一些很好的想法可以將機(jī)器學(xué)習(xí)與量子計(jì)算機(jī)結(jié)合起來(lái)。 內(nèi)部已經(jīng)有相關(guān)計(jì)劃構(gòu)建量子神經(jīng)元（），他們發(fā)現(xiàn)量子物理領(lǐng)域有一種算法與量子機(jī)器學(xué)習(xí)，或者說(shuō)量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（net）非常相似，所以機(jī)會(huì)很大。
那么，量子機(jī)器學(xué)習(xí)會(huì)比經(jīng)典計(jì)算機(jī)更高效嗎？ “我們希望，但還沒(méi)有人實(shí)現(xiàn)它。” 然而，他們想要解決量子物理問(wèn)題的部分方式是使用量子機(jī)器學(xué)習(xí)。 最終目標(biāo)是使用量子機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)處理更一般的問(wèn)題。
不過(guò)，他也指出物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M器下載免費(fèi)，“我們還處于起點(diǎn)，這是研究階段，需要時(shí)間去試驗(yàn)和開(kāi)發(fā)。在研究階段，很多時(shí)間會(huì)花在處理看似簡(jiǎn)單的玩具問(wèn)題上。” 例如，在量子物理學(xué)中，他們能否在量子計(jì)算機(jī)上相當(dāng)準(zhǔn)確地計(jì)算出氫分子 () 的能級(jí)。 “這是一種非常簡(jiǎn)單的分子，自從技術(shù)出現(xiàn)以來(lái)，人類(lèi)就已經(jīng)知道了。但是，一旦這個(gè)概念被證明可行，就可以處理更復(fù)雜的問(wèn)題。” 而很多公司都專(zhuān)注于這個(gè)領(lǐng)域，包括IBM、微軟、阿里巴巴，所以他對(duì)量子機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展也持開(kāi)放態(tài)度。
希望更多人投資算法
由于量子計(jì)算機(jī)的理論與今天的計(jì)算機(jī)不同，未來(lái)工程師要想進(jìn)入應(yīng)用階段，就需要學(xué)習(xí)新的編程技能。 對(duì)此，約翰表示，他的團(tuán)隊(duì)主要是設(shè)計(jì)硬件和控制軟件，希望外人學(xué)習(xí)如何對(duì)量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程。 今天的工程師不需要了解互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 等集成電路的制造工藝。 他們只需要了解操作系統(tǒng)和編程語(yǔ)言就可以編寫(xiě)應(yīng)用程序。 量子計(jì)算機(jī)雖然難度大，但是在學(xué)術(shù)上，比如物理學(xué)，物理學(xué)等還是有一致性的。 只要知道背后的原理和算法的使用方法，就能舉一反三。
比如在實(shí)驗(yàn)室里，有一個(gè)員工是學(xué)計(jì)算機(jī)的，因?yàn)閷?duì)量子計(jì)算機(jī)的濃厚興趣加入了實(shí)驗(yàn)室。 很棒的改進(jìn)方法，這是過(guò)去20年沒(méi)有人想過(guò)的，我的想法是如果計(jì)算機(jī)科學(xué)家喜歡這個(gè)領(lǐng)域，他們可以做出很多貢獻(xiàn)，當(dāng)量子計(jì)算機(jī)時(shí)代到來(lái)時(shí)，人們可以專(zhuān)注于編程和算法。 約翰說(shuō)。
圖丨化學(xué)家理查德·費(fèi)曼（ ）首先提出了量子計(jì)算機(jī)的概念，這個(gè)會(huì)議室就被命名為會(huì)議室。 （圖片來(lái)源：DT君）
大企業(yè)與初創(chuàng)企業(yè)云集
不僅如此，今年IBM還發(fā)布了IBM 。 這臺(tái) 5 的量子計(jì)算機(jī)被放置在倫敦的 TJ 研究中心。 為了讓大眾能夠接觸到量子計(jì)算機(jī)，探索量子計(jì)算的各種可能性，IBM 開(kāi)放了讓外界體驗(yàn)和測(cè)試的服務(wù)。 去年 3 月，IBM 進(jìn)一步增加到 17 家，但宣布將在明年內(nèi)推出業(yè)界首個(gè)商用通用量子計(jì)算平臺(tái) IBMQ 系統(tǒng)，這將是一個(gè)擁有 50 臺(tái)量子計(jì)算機(jī)的云服務(wù)，因此也將實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算。霸權(quán)。
此外，監(jiān)管機(jī)構(gòu)CB強(qiáng)調(diào)，量子計(jì)算機(jī)正在改變世界。 不僅是D-Wave，還有幾家必須要關(guān)注的創(chuàng)業(yè)公司點(diǎn)名如下：
，融資金額超過(guò)6900萬(wàn)港元，投資方包括，等；
，融資金額超過(guò)5000萬(wàn)港元，投資方為億萬(wàn)富翁旗下的創(chuàng)投Grupo；
，募資金額超過(guò)4700萬(wàn)港元，投資方為；
，投資方包括日本國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、加州能源委員會(huì)等；
后，天使投資人為外媒前執(zhí)行董事Tom；
，投資方包括美國(guó)UFJ和東京學(xué)園附屬孵化中心；
ETC。
1965年，英特爾創(chuàng)始人之一摩爾提出摩爾定律，即計(jì)算機(jī)芯片上的元件數(shù)量每24個(gè)月翻一番，后來(lái)縮短為18個(gè)月。 這個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則曾經(jīng)一路指導(dǎo)著整個(gè)計(jì)算和芯片行業(yè)的發(fā)展。 而且，近年來(lái)，摩爾定理已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)放緩的跡象，而根據(jù)這些趨勢(shì)，摩爾定理將在2020年到2025年達(dá)到極限，因此業(yè)界不乏摩爾定理會(huì)失效的想法die-但這將是計(jì)算機(jī)的發(fā)展。 結(jié)束？ 其實(shí)不是，因?yàn)橐呀?jīng)有人走上了量子計(jì)算機(jī)的道路。