“危險(xiǎn)”的量子計(jì)算

何承波

“身體是一臺(tái)神造的機(jī)器?！?/p>

此言出自法國(guó)哲學(xué)家笛卡爾。在《談?wù)劮椒ā芬晃闹?，他提出了一個(gè)觀點(diǎn)，人的行為、思考，是對(duì)外界環(huán)境的回應(yīng)?！叭耸且慌_(tái)自動(dòng)機(jī)器?！?/p>

經(jīng)典計(jì)算機(jī)誕生后，人類創(chuàng)造機(jī)器，不再是模擬人類身體的機(jī)器本性，而是雄心勃勃地開(kāi)掘智慧的奧秘，救贖自身與生俱來(lái)的局限性。二進(jìn)制里，要么0，要么1，兩個(gè)簡(jiǎn)單的符號(hào)，成了數(shù)字時(shí)代的“神諭”。

半個(gè)世紀(jì)過(guò)去，二進(jìn)制對(duì)自然的模擬，儼然到了極限。人腦、宇宙等眾多需要復(fù)雜計(jì)算的領(lǐng)域，成了計(jì)算機(jī)無(wú)法抵達(dá)的迦南之境。與其說(shuō)，這是集成電路技術(shù)和摩爾定律走到了盡頭，不如說(shuō)是1和0的二元對(duì)立、經(jīng)典力學(xué)的確定性觸到了天花板。

2019年9月，谷歌宣布實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”，似乎暗示著一場(chǎng)偉大征程的開(kāi)啟：量子計(jì)算正引領(lǐng)人類，探索生命與宇宙的混沌未知。

漫長(zhǎng)前夜

已故物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼肯定想不到，30多年后，“量子霸權(quán)”宣布實(shí)現(xiàn)時(shí)，這個(gè)詞嚇壞了很多人。

費(fèi)曼研究量子力學(xué)，他提醒所有的計(jì)算機(jī)科學(xué)家：“自然不是經(jīng)典，如果你要模擬自然，你得把它變成量子力學(xué)。”費(fèi)曼有一個(gè)天然的警覺(jué)，0和1的二進(jìn)制邏輯，并不能捕捉量子力學(xué)中固有的不確定性。

所謂量子，即電子、光子等微觀粒子的表現(xiàn)形式。經(jīng)過(guò)物理學(xué)家們幾十年的爭(zhēng)吵，此時(shí)結(jié)論已經(jīng)昭昭然：物質(zhì)的微觀層面，經(jīng)典力學(xué)已經(jīng)是窮途末路了。相反，量子世界充滿了不確定性，并不能準(zhǔn)確測(cè)量。

這片充滿混沌的量子世界，是現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的盲區(qū)。

另一方面，當(dāng)費(fèi)曼試圖用經(jīng)典計(jì)算機(jī)來(lái)模擬量子系統(tǒng)時(shí)，卻遭遇了“指數(shù)減慢”的問(wèn)題。計(jì)算機(jī)內(nèi)電路的集成度越高，熱耗越嚴(yán)重，巨量能耗成為禁錮計(jì)算能力的死結(jié)。

早在20世紀(jì)80年代初，費(fèi)曼等少數(shù)物理學(xué)家就有個(gè)奇思妙想，利用量子疊加和量子糾纏兩個(gè)奇特的量子特性，構(gòu)建“量子計(jì)算”。同時(shí)，費(fèi)曼還意圖讓計(jì)算機(jī)科學(xué)家和物理學(xué)家聯(lián)手合作，共同研究量子計(jì)算機(jī)的物理實(shí)現(xiàn)與算法。

事情出現(xiàn)真正的進(jìn)展，要等到1994年了。貝爾實(shí)驗(yàn)室的彼得·秀爾研究出一套“秀爾算法”，證明量子電腦可以進(jìn)行離散對(duì)數(shù)計(jì)算，才有計(jì)算機(jī)學(xué)者開(kāi)始走進(jìn)量子力學(xué)的世界。

所謂“秀爾算法”，就是大數(shù)的分解。例如，一個(gè)300位的整數(shù)，分解成若干個(gè)質(zhì)數(shù)的乘積。最強(qiáng)大的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，可能要“算到爆炸”，如果這套算法能在量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)算，也許可以把時(shí)間大大縮短，甚至以秒而記。

算力差別為何如此巨大？這要回到物理學(xué)的根基上來(lái)看。牛頓力學(xué)告訴我們，物質(zhì)之間的引力和運(yùn)動(dòng)，是可以精確測(cè)量的。但當(dāng)真正深入微觀世界，物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，粒子和周圍的環(huán)境互動(dòng)，不僅處于“測(cè)不準(zhǔn)”狀態(tài)，更是一種疊加狀態(tài)。

我們把粒子（光子或電子等）想象成一枚硬幣，扔出去，雙手壓住，對(duì)我們來(lái)說(shuō)，它要么是正面，要么是反面，二者只取其一。但在微觀層面，它既是正面，也可以是反面，兩者共存。這種量子疊加態(tài)以概率形式而存在，只有在測(cè)量后，量子才會(huì)坍縮為經(jīng)典的確定狀態(tài)。同時(shí)，兩者還處于糾纏狀態(tài)，用愛(ài)因斯坦的話說(shuō)—會(huì)產(chǎn)生遙遠(yuǎn)距離上的詭異互動(dòng)。

計(jì)算機(jī)的計(jì)算取決于1或0的判定。經(jīng)典計(jì)算機(jī)只能取其一，非1即0；而量子計(jì)算機(jī)兩個(gè)都要，既是1，又是0，即所謂雙態(tài)系統(tǒng)。如果把經(jīng)典計(jì)算機(jī)看成是單一樂(lè)器，那量子計(jì)算機(jī)就是一個(gè)交響樂(lè)團(tuán)。

想象一座迷宮，現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)只能挨個(gè)嘗試，一條路線不通，換一條從頭再來(lái)。量子計(jì)算機(jī)卻能同時(shí)將所有路線走完，找到最優(yōu)結(jié)果，熱量消耗也更低。

一幅宏大而美好的藍(lán)圖吸引了眾多國(guó)家、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和商業(yè)公司，紛紛參與到競(jìng)賽中來(lái)。

算力即權(quán)力的時(shí)代，這是致命的誘惑。

那么近，那么遠(yuǎn)

進(jìn)入2010年代，量子計(jì)算破土而出。美國(guó)、中國(guó)、日本均開(kāi)始發(fā)力。商業(yè)機(jī)構(gòu)方面，IBM、谷歌、英特爾和微軟等科技巨頭紛紛入局。

想象一座迷宮，現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)只能挨個(gè)嘗試，一條路線不通，換一條從頭再來(lái)。量子計(jì)算機(jī)卻能同時(shí)將所有路線走完，找到最優(yōu)結(jié)果，熱量消耗也更低。

2019年10月，谷歌宣傳在“量子優(yōu)越性”（量子霸權(quán)）上實(shí)現(xiàn)重大突破，不過(guò)發(fā)生了一段尷尬的小插曲，合作方NASA官網(wǎng)率先公布了論文，又緊急撤下，疑似同行評(píng)審未完成。一個(gè)月后，該論文登上了《自然》雜志150周年版的封面。

論文的實(shí)驗(yàn)用了一個(gè)名叫Sycamore（無(wú)花果）的量子處理器進(jìn)行，處理器由鋁、銦、硅晶片和超導(dǎo)體等材料組成，共有53量子比特（初始量子比特為54個(gè)，但其中一個(gè)無(wú)法正常工作），包含在二維網(wǎng)格內(nèi)，每個(gè)比特與其他四個(gè)相連，以保證足夠的連通性。

所謂實(shí)驗(yàn)，看上去很簡(jiǎn)單，對(duì)量子電路產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)字采樣若干次，得出給定字符串出現(xiàn)的概率，并確認(rèn)為真隨機(jī)數(shù)。無(wú)論是日常通信，還是金融交易，乃至國(guó)家機(jī)密，都需要隨機(jī)數(shù)來(lái)保護(hù)，但現(xiàn)有計(jì)算機(jī)條件下，本質(zhì)上無(wú)法獲得真隨機(jī)數(shù)—它們算不出下一時(shí)刻將出現(xiàn)哪個(gè)數(shù)列。

如果生成字符串的概率分布由量子電路決定，而量子處于疊加狀態(tài)，以概率形式存在，那么測(cè)量這些量子比特的時(shí)候，就好像是蒙上眼睛、伸手從盒子中摸出量子分布的隨機(jī)字符串，沒(méi)機(jī)會(huì)摸得中。因此，只有量子計(jì)算機(jī)的量子特性加持，才能生成真正意義上的隨機(jī)數(shù)—也達(dá)到了真正意義上的“保密”效果。

Sycamore確實(shí)在合理的錯(cuò)誤閾值之內(nèi)快速完成了該項(xiàng)計(jì)算任務(wù)，谷歌宣稱，經(jīng)典計(jì)算機(jī)最強(qiáng)如Summit這樣的超算，也需要1萬(wàn)年才能完成。

不過(guò)，現(xiàn)實(shí)還沒(méi)那么樂(lè)觀。谷歌自身措辭也較為謹(jǐn)慎，聲明這種量子優(yōu)越性僅限特定領(lǐng)域。換句話說(shuō)，它目前只在隨機(jī)數(shù)生成上具備壓倒性的優(yōu)勢(shì)，象征意義大于實(shí)用意義。當(dāng)然，所有偉大發(fā)明誕生之初無(wú)不如此。

對(duì)于所有的量子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，只有在幾種非常特殊的情況如計(jì)算異常復(fù)雜時(shí)，它們才能大放異彩。這意味著量子計(jì)算機(jī)只為了解決或驗(yàn)證特殊問(wèn)題而存在，距離“通用”還很遙遠(yuǎn)。

量子芯片十分脆弱，任何溫度波動(dòng)、電磁波、聲波和物理振動(dòng)都屬于噪聲信號(hào)，會(huì)破壞量子比特并導(dǎo)致誤差。

經(jīng)典計(jì)算機(jī)能容忍些許噪聲問(wèn)題，保存兩三個(gè)備份，剔出錯(cuò)誤比特。對(duì)于量子計(jì)算機(jī)，目前的糾錯(cuò)機(jī)制還不完善，需要調(diào)動(dòng)過(guò)多計(jì)算能力來(lái)糾正錯(cuò)誤，負(fù)擔(dān)極其沉重。

此外，疊加態(tài)只能維持在未測(cè)量之前，測(cè)量后，它便坍縮了，成為確定的值：1或0。所以，在不知道量子比特的狀態(tài)下，如何才能確定它是否出錯(cuò)，是另一個(gè)棘手的問(wèn)題。

容錯(cuò)算法、誤差抑制，甚至開(kāi)發(fā)降低“噪聲”的特殊材料……構(gòu)想與思路不斷涌現(xiàn)，面對(duì)糾錯(cuò)問(wèn)題，科學(xué)界樂(lè)觀大于疑慮。

實(shí)驗(yàn)室里的科學(xué)家們說(shuō)，量子計(jì)算機(jī)可解釋宇宙中最深的奧秘—暗物質(zhì)、黑洞、人腦。人類無(wú)法解決的問(wèn)題，在量子計(jì)算機(jī)到來(lái)的時(shí)代，將迎刃而解。

模擬大腦

回到費(fèi)曼那里，計(jì)算機(jī)的本質(zhì)是什么？模擬自然，而自然之中，人類又儼然站在進(jìn)化的頂端。

宇宙、世界與生命的更多奧秘，隱藏在經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法觸及的地帶。像藥物分子的反應(yīng)穩(wěn)定性和化學(xué)反應(yīng)活性，都無(wú)法依靠經(jīng)典計(jì)算機(jī)來(lái)模擬，除非我們大大地簡(jiǎn)化它。

費(fèi)曼并未目睹量子計(jì)算機(jī)，但他的構(gòu)想，正成為現(xiàn)實(shí)。對(duì)于一些小型量子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，量子模擬已經(jīng)顯現(xiàn)價(jià)值。多倫多大學(xué)的Alan Aspuru-Guzik團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一套量子算法，有噪聲的情況下，量子計(jì)算機(jī)可快速找到分子的低能量狀態(tài)。IBMTJ Watson研究中心的量子信息科學(xué)家Jay Gambetta團(tuán)隊(duì)，用6個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)，計(jì)算了氫化鋰和氫化鈹?shù)确肿拥碾娮咏Y(jié)構(gòu)。它再次證明，量子計(jì)算機(jī)在微觀級(jí)別的物質(zhì)模擬上，具備天然的優(yōu)勢(shì)。

量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算模式更接近大腦。近年來(lái)種種研究也揭示出，大腦具備量子形態(tài)。

量子計(jì)算機(jī)較有可能應(yīng)用在天氣預(yù)測(cè)領(lǐng)域。大氣系統(tǒng)的不確定性，導(dǎo)致經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以建立準(zhǔn)確的模型。即便最頂尖的分析工具，也只能對(duì)天氣作出猜測(cè)。而量子計(jì)算機(jī)是真正意義上的模擬計(jì)算機(jī)（費(fèi)曼觀點(diǎn)），量子特性可以重現(xiàn)真實(shí)的氣象狀況，并發(fā)揮運(yùn)算的優(yōu)勢(shì)，更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)氣候環(huán)境如何相互影響、壞天氣何時(shí)出現(xiàn)。

人類的大腦，就像是自然的最后一塊高地，量子計(jì)算即將對(duì)它進(jìn)行沖擊。人工智能的最大障礙不是數(shù)據(jù)，也不是算法，而是計(jì)算能耗。阿爾法狗花5個(gè)小時(shí)下一盤圍棋，所耗能量相當(dāng)于一個(gè)成年人300天的消耗。

野心最大的自然是谷歌，它早早成立了量子人工智能工作室。人工智能是量子計(jì)算機(jī)無(wú)法避開(kāi)的話題，中國(guó)科學(xué)院院士潘建偉曾說(shuō)，量子計(jì)算機(jī)最終將拓展到量子人工智能領(lǐng)域。

經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬人腦，有點(diǎn)“不自量力”。畢竟人腦有近千億個(gè)神經(jīng)元，構(gòu)成一個(gè)至少100萬(wàn)億個(gè)連接點(diǎn)（突觸）的網(wǎng)絡(luò)，堪稱宇宙最復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。意識(shí)與思想的誕生，并非源于單獨(dú)部件，而是一個(gè)龐雜網(wǎng)絡(luò)中模塊、中樞節(jié)點(diǎn)和神經(jīng)遞質(zhì)的暗箱配合。

拋開(kāi)經(jīng)典計(jì)算機(jī)的算力極限，1和0的運(yùn)算模式也是模擬大腦從未成功的原因。大腦意識(shí)從來(lái)不是在“是與否”（1和0）的絕對(duì)對(duì)立中產(chǎn)生，而是來(lái)自混沌、模糊的中間態(tài)。人腦的“不可測(cè)”，彰顯了人和機(jī)器人的本質(zhì)區(qū)別。

而量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算模式更接近大腦。近年來(lái)種種研究也揭示出，大腦具備量子形態(tài)。由量子計(jì)算給人工智能“賦能”，就像長(zhǎng)者給舞獅點(diǎn)睛一樣，造物瞬間擁有了“靈魂”。

基于此，潘建偉斷言：“不到量子人工智能的時(shí)代，我是一點(diǎn)兒不擔(dān)心人工智能會(huì)取代人類。”

機(jī)器人的覺(jué)醒，由科幻作品和流行學(xué)說(shuō)長(zhǎng)期演繹?，F(xiàn)在，量子計(jì)算打出了一道光，照見(jiàn)這樣一種可能性：終有一天，機(jī)器脫離造物主的指令（程序），沖開(kāi)意識(shí)的閥門。