【科技．未来】另类玩家杀出　量子计算还有几远？

D-Wave展出的电脑取名为“猎户星座”（Orion），该公司联合创办人兼首席技术官Geordie Rose为大家展示了“猎户星座”的部分应用，分别是：一，在数据库中搜索蛋白质并找出最接近的配对；二，为参加婚礼的客人设计出最佳的座位安排；三，解决数独难题（Sudoku Puzzles）。这些应用听起来有点让人摸不着头脑，但Rose解释，此次演示的目的是在量子电脑上运行商业相关的应用程序，“这在以前是从未做过的，更别说完成了。”

承接上文：《量子电脑——在“平行世界”极速运算》

另类玩家异军突起

然而，D-Wave在矽谷计算机历史博物馆（Computer History Museum）的展览甫一结束，不少量子计算专家就对其表示怀疑。打出头炮的是当时任职于加拿大滑铁卢大学（University of Waterloo）量子计算研究所的理论计算机科学家Scott Aaronson（现为得州大学奥斯汀分校计算机科学系教授），他发表网志称“猎户星座”解决问题的能力和一个“烤牛肉三明治”不分高下，并批评D-wave只是在炒作。

D-Wave声称“猎户星座”拥有16量子位元，可惜的是，该公司只发布了“猎户星座”在内部运作时最粗浅的细节和数据，以致许多量子电脑专家都不相信D-Wave的技术真的是量子计算。其中一个尖锐批评来自加州大学柏克莱分校的计算机科学教授Umesh Vazirani：“D-Wave称自己的设备为‘实用的量子电脑’，这其实是误导公众。相较于传统电脑，量子计算的重点是极大地提升计算速度，而D-wave根本没做到！” Vazirani说，“一个16位元的量子电脑只比手机的处理器强一些，很难说它代表了什么实用突破……事实上，就算它有上千个量子位元，也不比一部手机强多少。”

不过，Rose不打算回应这些批评，并认为D-Wave的方法在商业上可行，市场可以大胆采纳“猎户星座”。“我们的方式是让它开始解决问题。”Rose续说，“速度的快慢成了评判的一个指标。相较于学术方法而言，我们的方法快速且略带瑕疵，但并非不严谨。”

在当时，D-Wave遭受的批评可谓是意料之中。“猎户星座”所能处理的问题传统电脑都可以办到， Rose也承认“猎户星座”的设计仍然处于非常初步的阶段，“就解决问题所需的实际时间而言，‘猎户星座’比运行最佳演算法的传统电脑慢约100倍。”

国防企业抢先试用

仅仅九个月之后，D-Wave又向外界展示了27量子位元的处理器原型。D-Wave在量子位元上逐渐加码。2011年，这家公司推出了128量子位元的D-Wave One，售价近1,000万美元。这台机器推出仅四天，世界最大的国防工业承包商洛歇马丁（Lockheed Martin）就和D-Wave签署了一份购买其机器及维护服务的长年合同。洛歇马丁的核心业务涉及大量的验证和确认（verification and validation，简称V&V）工作，洛歇马丁首席科学家Ned Allen希望D-Wave的设备可以帮助公司降低V&V的成本和时间。

2013年5月，洛歇马丁将D-Wave One升级为512量子位元的D-Wave Two。首席技术员Ray Johnson透露，公司将利用这台设备开发和测试复杂的雷达、航天和航空器等系统，例如，它将能够即时得知运行数百万行代码的卫星网络，对太阳黑子爆发或来自核爆炸的脉冲作何反应。现时传统电脑的技术即便可以完成这类任务，也要用上数周时间。

尽管D-Wave自2011年起便开始对外销售设备，但其惹起的质疑和争议之声仍源源不绝。争议的原因在于D-Wave使用的实现方案和物理模型与绝大部分竞争对手有所不同。通用的量子电脑大多利用量子逻辑闸（logic gate）操作量子位元来进行计算，而D-Wave认为这种量子电脑的标准模型“是个很差的主意”，因此另辟蹊径，采用“绝热量子计算”（Adiabatic quantum computing）的物理模型。D-Wave的选择令其注定成为量子电脑界的“另类玩家”。与其他公司研发的通用量子电脑不同，D-Wave只能运行一种演算法，即“量子退火”（quantum annealing）演算法，因为D-Wave设备的构造本身就是基于量子退火设计的。

“作为一种计算方法，量子退火用来解决优化的问题（optimization problems）。几乎所有学科和领域都需要优化，比如说遗传学、金融、机器翻译、生物信息学、医疗诊断等等。”Rose在接受《福布斯》（Forbes）杂志访问时这样解释量子退火的优点，“在量子退火中，量子位元始终保持于‘基态’（Ground State），即最低能量的状态——这是量子系统的自然设定，就如水总是往低处流一样。其他的演算法（例如质因数分解演算法）要求量子位元保持在高度不稳定的激发态（Excited State），这使得很难精确地控制量子位元，以至于连小数的因式分解都很难做到。”

事实上，愈来愈多人倾向于相信D-Wave的设备是一台具有量子加速效应的专用量子电脑。D-Wave的最新设备D-Wave 2000Q System据称已经具备了2,000个量子位元，数量是当前的通用量子电脑所无法想像的，但无可否认的是，演算法决定设备的最终价值，而D-Wave的设备终究只能解决特定的问题。

即便如此，一旦这种专用型量子电脑在硬件和演算法层面都趋于成熟，其应用前景还是颇为可观的。除了在2013年购买D-Wave的设备，Google的研究人员亦已经开始与D-Wave合作，利用D-Wave One系统编写程式，“这个程式可以识别路上的汽车和地面标志物，其他的终端设备（例如移动电话）亦可使用。这是目前为止最佳的路面辨识软件，将是管理无人驾驶的关键一步。”Rose举例道。

快传统电脑一亿倍？

2015年，Google的研究团队发表了一篇论文，比较了D-Wave 2X量子电脑与一部单核心电脑在若干涉及量子退火演算法的问题上的表现，称D-Wave的速度是传统电脑的一亿倍。然而，这一亿倍究竟是怎么得出来的？瑞士苏黎世联邦理工学院教授Matthias Troyer提醒大众仔细解读论文里的说法，“他们首先选了一个特定问题，而这个问题用经典演算法特别困难，但D-Wave恰巧在这问题上具有优势，所以取得了比普通电脑快一亿倍的骄人成绩。”换言之，Matthias Troyer承认一亿倍加速的存在，然而，这一亿倍的加速只在某个特定范围内有效，而加速的实用性仍然存疑。

自称“D-Wave首席质疑官”（Chief D-Wave Skeptic）的Aaronson过去不乏痛斥D-Wave之言，这次虽稍稍松了手，但仍然对D-Wave表示质疑。他认为Google这篇论文给出了“关于D-Wave能力到目前为止最为清晰的展示”，而“D-Wave 2X是一个伟大的工程”，但D-Wave需要回答一些更根本的问题，比如“纠错能力的缺失、有限温度量子退火的限制、明确的量子加速证据，以及急着搞出更多而不是质量更好的量子位元”，而这些问题“似乎和十多年前D-Wave所作出的根本设计选择息息相关”。换言之，Aaronson仍然怀疑D-Wave的量子退火设备能不能算是“真正的量子电脑”。

对D-Wave似褒实贬之后，Aaronson不忘提醒大家去关注一些更令人兴奋的成就。他提到两面下注的Google——Google不仅从D-Wave购入设备，自己也组建了研发量子电脑的团队，并延揽了加州大学圣塔芭芭拉分校物理学教授John Martinis领导团队。“Google现在有相干（coherence）时间比D-Wave高数倍的超导量子位元，并对其中的9个量子位元展示了量子纠错。他们现在讨论的是将其扩展到大约40个质量超高的、耦合可控的量子位元——不是遥远的未来，是在最近几年——如果他们做到了这一点，我将非常乐观地认为，他们将能够就某件事情展示出明显的量子优势。”Aaronson还精要地概括了Rose颇为不屑的实现量子计算的“学术方法”，即“理解量子位元、控制它们、保持其量子力学的特性，最终在此基础上将其扩展”。Aaronson相信，只要把握以上要点，量子计算“终会结出多汁的果实”。

就当Aaronson对Google的溢美之词仍言犹在耳，Google量子AI实验室便于去年3月公布了名为“Bristlecone”的72量子位元处理器，这个基于量子逻辑闸的超导系统目的在于研究量子位元技术的系统误差率和可扩展性，以及在量子模拟、优化和机器学习的应用。Martinis接受访问时表示，测试才刚刚开始，“从目前所知道的情况来看，我们非常乐观。如果一切运行良好，量子霸权（quantum supremacy）可能会在几个月内实现。”所谓“量子霸权”，意即量子电脑已经达到超越任何超级电脑的运算能力。

对于Google发布的这个消息，Aaronson在其网志中指，“Bristlecone的72个量子位元需要逐个进行精心校准。更重要的是，即使处理器在未来一两年内全面运作，它可能需要一段时间才能进行量子模拟……对于量子计算真正到来所需的时间，我的预测倾向保守。”事实上，无论是对Google抑或D-Wave的研发进展， Aaronson都没有言之凿凿的肯定或否定。但有一点是确定的：在2019年，再问量子计算可不可能已经不合时宜。

上文节录自第149期《香港01》周报（2019年2月11日）《从理论走进现实 量子电脑：在“平行世界”极速运算》。

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