最强量子计算机争霸:谷歌和IBM,谁是真正赢家?

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最强量子计算机争霸:谷歌和IBM,谁是真正赢家?
麻省理工科技评论 2020-04-21

2020-04-21

谷歌和IBM在量子计算机上的最强争霸
量子计算 IBM 谷歌
谷歌和IBM在量子计算机上的最强争霸

谷歌最先进的计算机设备并不在加州山景城的总部,也不在高科技研发基地硅谷。掌握这一技术的部门隐藏在一片普通的办公园区里,从圣巴巴拉市向南驱车几个小时才能到达,而且这里的大多数科技公司都名不见经传。

这里的开放式办公区可同时容纳几十人办公。屋内的墙上,安装着专门的自行车托架和冲浪板托架。双开门的实验室有一间宽敞教室那么大。除了计算机架和各种仪器,减震装置上还挂着几个比油桶稍大一点的圆柱形容器。

其中一个装置的外部容器已被移除,由钢和黄铜构成的内部结构像 “枝形吊灯” 一样交织缠绕。该装置是一台增压式制冷机,每下降一层,它的温度就会更低一些。装置底部的温度保持在绝对 0℃ 以上,在发丝宽度的真空环境中,肉眼可以看到形似普通硅芯片的结构。但它们实际上并不是由晶体管构成的,这些结构利用微弱的超导电路进行蚀刻,在这种低温条件下,它们的特征和遵循量子物理定律的原子如出一辙。这就是量子位,也就是量子计算机的基本存储单元。

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图 | Rigetti 量子计算公司 (来源:Rigetti Computing /Justin Fantl)

去年十月底,谷歌宣布其名为 Sycamore 的芯片通过执行传统计算机无法完成的任务首次实现了“量子霸权”。谷歌表示,Sycamore 仅用 53 个量子位就在短短几分钟时间内完成了一项高难度计算任务,而目前最先进的超级计算机 Summit 耗时 1 万年也不可能完成。谷歌表示,这是一项重大的技术突破,甚至将其比作莱特兄弟实现首次飞行和苏联发射第一颗人造卫星,这项突破开启了计算机发展新纪元,如今最强大的超级计算机在它面前也不过是个算盘。

在圣塔芭芭拉实验室举行的一次新闻发布会上,谷歌研发团队回答了记者近三个小时的提问。但是他们的风趣幽默无法掩盖紧张情绪。发布会两天前,谷歌在量子领域的竞争对手 IBM 的研究人员对这一发现提出了严重质疑。他们发表的文章中提到,谷歌研究人员的结果存在计算错误。IBM 公司认为,谷歌所谓的 “最先进的超级计算机大约需要 1 万年” 完成的任务,其实传统计算机只需几天就能实现。当被问及对 IBM 公司的质疑有何看法时,谷歌量子计算团队负责人哈特穆特 • 尼文(Hartmut Neven)并没有给出明确的回复。

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(来源:Jay M Gambetta, Jerry M Chow, & Matthias Steffan)

其实我们大可将此次事件视为一次学术争端。即使 IBM 是正确的,Sycamore 的计算速度也确实要比 Summit 超级计算机快 1000 倍。谷歌可能只需要几个月时间就能建造一台更大的量子计算机,为自己正名。

IBM 公司更大的质疑并不是因为谷歌的量子实验并没有那么成功,而是一开始它就是毫无意义的测试。和量子计算领域不同的是,IBM 公司认为 “量子霸权”并不是像莱特兄弟实现首次飞行一样的历史高光时刻;实际上,IBM 公司甚至不相信量子霸权真的可以实现。

IBM 公司对成功的定义有所不同,它将其称之为 “量子优势。” 这不仅仅是用词和科学上的差异,更是哲学理念的不同,这种理念深植于 IBM 公司的历史、文化和发展目标当中,IBM 公司的收入和利润 8 年来持续走低,而谷歌及其母公司 Alphabet 的收入额一直在上升。即使在这种情况下,两家公司不同的发展理念也可能会决定,谁将在量子计算领域更胜一筹。

天壤之别

位于纽约市北郊的 IBM 托马斯 •J• 沃森研究中心是芬兰新未来主义建筑师埃罗 • 沙里宁(Eero Saarinen)的杰作,它外部光滑的曲线和谷歌的研究中心有着天壤之别。该建筑于 1961 年完工——当时 IBM 凭借大型机获得巨大成功——其博物馆般的品质提醒着每一位员工,IBM 公司在分形几何、超导体、AI 以及量子计算等各个领域都取得了重大突破。

这个拥有 4000 多人的研究部门的负责人是西班牙人达里奥 • 吉尔(Dario Gil),他讲话的速度总是能让人感受到他的热情。两次访谈过程中,他经常滔滔不绝地讲述 IBM 公司在量子计算领域取得的成就,旨在强调其在该领域研究的悠久历史。

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(来源:Carlos Jones / 国立橡树岭实验所(Oak Ridge National Laboratory,简称 ORNL);Eric Lucero / 谷歌)

但在这几十年中,该公司将研究项目转化为了商业上的成功,进而取得了良好的声誉。最近,IBM 计划将人工智能 “沃森” 改造成精通医术的机器人。目的旨在为病人提供诊断,并从海量的医疗数据中分析趋势,虽然研究人员已经与数十家医疗单位展开了合作,但人工智能医疗的商业应用依然很少。即使有些项目投入了实际应用,其最终成果也并不是十分理想。

吉尔表示,量子计算研究团队正试图通过研究与商业开发并举的方法,来打破这一过程。几乎在开始研究量子计算机的同一时间,研究人员就把相关数据放置在了云端,以供外部人员查阅,他们还可以通过网页浏览器内简单的拖放功能对其进行编程操作。诞生于 2016 年的 IBM Q Experience 目前由 15 个公用的量子计算机组成,规模从 5 到 53 个量子位不等。每月大约有 1.2 万人使用这些设备,用户群体包含研究人员与学生,同时小型设备的使用是免费的。IBM 表示,现在付费(并没有透露具体费用)使用规模更大的设备的客户已经超过了 100 个。

除了谷歌的 Sycamore 处理器之外,世界上的任何类似设备,或者说任何一台量子计算机,都没有表现出在任何情况下能够胜过普通计算机的优势。对于 IBM 而言,这并不是当下关注的重点。将计算机接入网络可以让公司了解到客户未来的需求,也可以让外部的软件开发人员学习如何编写代码。反过来,这会让 IBM 发展得更好,同时也会促进接下来的量子计算机的开发。

IBM 认为,这一过程是实现该公司所谓量子优势的最快途径。未来,量子计算机并不会让传统计算机彻底淘汰,它们会更加快速以及高效地完成任务,从而获得更多的经济效益。IBM 的员工表示,鉴于量子霸权是一个里程碑,我们就可以把量子优势看成一个“连续体”,其中蕴含着各种各样的可能性。

接下来,我们来了解一下吉尔有关 IBM 的大统一理论:通过整合公司的传统、技术专长、其他人员的才智以及对商业客户的奉献精神,IBM 可以比其他公司更早以及更好地制造出具有使用价值的量子计算机。

得克萨斯大学奥斯汀分校的物理学家斯科特 · 阿伦森(Scott Aaronson)表示,从这种观点来看,IBM 认为谷歌宣布量子霸权只是“一种小伎俩”。阿伦森曾对谷歌正在使用的量子算法贡献颇多。从最好的情况来看,这只是研究工作中必然会产生的短时干扰。而在最坏的情况下,这具有误导性,因为它可能使人们认为量子计算机会在任何方面都胜过传统计算机,而非在执行某一特定任务的层面。吉尔表示,“公众会对‘霸权’这个词产生误解。”

当然了,谷歌则完全不这样认为。

成为量子领域的新贵

2006 年,谷歌首次开始考虑量子领域的问题,那年是该公司成立的第八个年头。但直到 2012 年,谷歌才组建了专门的量子实验室。就在那一年,加州理工学院的物理学家约翰 · 普雷斯基尔(John Preskill)提出了 “量子霸权” 这一概念。

实验室的负责人是德国计算机科学家哈特穆特 · 奈文(Hartmut Neven),他是该领域的权威人士。起初,奈文购买了一套由一家叫做 D-Wave 的外部公司所生产的设备,并对其进行了一段时间的研究,探索实现量子霸权,可是他并没有取得成功。奈文表示,2014 年,他说服了时任谷歌首席执行官的拉里 · 佩奇(Larry Page)投资研究量子计算机,奈文向佩奇允诺,谷歌将会接受普雷斯基尔的挑战:“我们对他说,‘听着,三年之内我们就会回来,并且还会把原型芯片放到你的办公桌上。这个芯片至少能够解决一种常规计算机所不能解决的问题。’”

在缺少 IBM 量子技术支持的情况下,谷歌聘请了一支外部团队,由加州大学圣塔芭芭拉分校的物理学家约翰 · 马丁内斯(John Martinis)领衔。马丁内斯和他的团队已经跻身于全球最顶尖的量子计算机开发者之列,他们曾设法将 9 个量子位串在一起。而奈文对佩奇的承诺似乎对他们来说也是一个值得追求的目标。

三年的期限转眼过去,但马丁内斯的团队依然在为应对这一挑战,而努力研发足够大型以及稳定的芯片。2018 年,谷歌公布了当时最大的处理器 Bristlecone。Bristlecone 具有 72 个量子位,其他竞争对手的产品已经无法与之匹敌。马丁内斯预测谷歌会在当年实现量子霸权。但是,当时一些团队成员正在开发另一种叫做 Sycamore 的芯片架构,它与 Bristlecone 有所不同。最终证实,Sycamore 芯片可以利用更少的量子位处理更多的任务。该芯片只有 53 个量子位,而原本则应该有 54 个,但其中一个出现了故障。谷歌最后在去年秋天宣布实现了量子霸权。

出于实际目的,展示中所使用的程序实际上是没有用处的。它能够产生随机数字,可这并不是量子计算机要干的活。但是,该程序可以用特殊方式生成传统计算机难以复制的数字,从而证明了这一概念。

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图 | 谷歌和 IBM 都在开发这样的图形界面,从而让使用量子逻辑门编程的工作变得更加容易 (来源:麻省理工科技评论)

问问 IBM 的员工对谷歌的成就有何看法,你就会发现他们的脸色是有多么难看。一向谨慎的澳大利亚籍 IBM 量子团队负责人杰伊 · 甘伯塔(Jay Gambetta)表示,“我并不喜欢‘霸权’这个词,我也不喜欢它的含义。” 他还说道,问题在于想要预测给定的量子计算是否会比传统计算机更加困难,这几乎是一件不可能的事,所以只展示一个案例并不能帮助你找出其他的情况。

很多不属于 IBM 的人士,都认为把量子霸权看淡是一件愚蠢的事。奈文表示,“任何与此有商业利益牵扯的人都必须首先亮出霸主地位。我认为这是一个基本的逻辑。”即便是麻省理工学院那位态度温和、不偏不倚的物理学家兼观察家威尔 · 奥利佛(Will Oliver)也表示,“这是一个重要的里程碑。它表明,不论处理何种任务,量子计算机总会在某些任务上胜过传统计算机。”

量子飞跃

不论你是否认同谷歌或者 IBM 的立场,下一个目标都十分明确,奥利佛表示:制造出可以帮助人类的量子计算机。我们希望有一天,量子计算机能够解决当前大量需要用蛮力来计算出结果的问题,比如用于研发新型药物和材料的复杂分子建模,旨在减少堵塞的城市交通流量即时优化以及进行长期的天气预报。(最终,它们或许还会破解当今那些用于保护通信以及金融交易安全的加密密码。不过,到那个时候,也许全世界的大部分地区都将会采用防量子破解的加密手段。)不过现在,我们无法预测出首个需要量子计算机来完成的任务是什么,或者该任务需要多大规模的计算机来完成。

这一不确定性与硬件和软件两方面都有关系。从硬件方面来看,谷歌认为,目前该公司的芯片设计可以达到 100 到 1000 个量子位。然而,就像仅仅靠引擎的大小并不能决定汽车的性能一样,量子计算机的性能也并不只取决于量子位的数量。我们还要考虑到很多其他方面的因素,例如它们可以在 “消相干” 状态之外保持多久、出错率有多少、运行速度有多快以及它们是如何相互联系的。这些问题意味着,当前量子计算机的运行效率仅发挥出了其全部潜质的一小部分。

与此同时,量子计算机的软件也像机器本身一样处于起步时期。在传统计算机领域,编程语言目前已经较早期软件开发者使用的原生 “机器码” 缩减了数个级别,因为有关数据存储、处理以及分流的细节都已经标准化了。负责谷歌团队中软件工作的戴夫 · 贝肯(Dave Bacon)表示,“对于传统计算来说,当你进行编程时,你并不需要去了解晶体管的工作原理。”从另一方面来看,量子代码必须要根据量子位的情况来进行高精度调整,从而在最大程度上发挥其性能。这就意味着,IBM 的芯片并不会在其他公司的设备上运行,甚至谷歌的 53 量子位 Sycamore 芯片的优化技术也并不一定适用于未来该公司 100 量子位的姊妹芯片。更重要的是,这还意味着,没人能够预测 100 个量子位究竟能够处理多么复杂的问题。

人们最敢想象的一件事就是,在未来的几年里,拥有几百个量子位的计算机被用于模拟一些中度复杂的化学反应,这或许足以推动新药和高效电池的研发。然而,退相干和错误会让量子计算机在进行诸如破解加密这样的任务时罢工。

这就需要一台 “带有容错机制” 的量子计算机,它需要像传统计算机那样,修补错误并持续运行。预期的解决方案就是制造冗余:使几百个量子位在共享的量子态中发挥一个量子位的作用。在共同作用下,它们可以修正单个量子位的错误。随着每个量子位开始受退相干的影响,临近的量子位将会让它们重新焕发生机,这是一个永远不会停止的互相拯救的循环。

根据通常的预测,需要使用 1000 个相连的量子位才能达到这种稳定状态。这意味着,想要制造一台发挥 1000 个量子位功用的量子计算机,你实际上需要用到 100 万个量子位。奈文表示,据谷歌的 “保守” 估计,尽管还需要克服一些重大技术难题,其中一项目前 IBM 也许比谷歌更具优势,但该公司还是可以在十年内就制造出具有 100 万个量子位的处理器。

到那个时候,或许很多事情都会发生改变。当前谷歌和 IBM 使用的超导量子位,到那时也许会成为像老旧真空管一样的技术,它们会被更加稳定以及可靠的技术所取代。尽管用于制造量子计算机的量子位并不多,但全世界的研究人员都在利用各种方法进行相关实验,以制造量子位。像 Rigetti、IonQ 以及 Quantum Circuits 这样的具有竞争力的初创公司,也许会在某个特定技术上发挥出优势,从而超越那些所谓的大牌公司。

最强量子计算机争霸:谷歌和IBM,谁是真正赢家?

图 | IBM 追求的是让 “量子体积” 的数值每年都增长一倍,这其实就是著名的摩尔定律在量子领域的演绎。(来源:IBM 供图)

鉴于谷歌和 IBM 这两家公司的规模和财富总量,它们都有机会成为量子计算业务领域内的重要参与者。其他公司将会租用这些公司的设备来处理问题,这就像目前它们从亚马逊、谷歌、IBM 以及微软租用云存储以及处理运算服务一样。由物理学家和计算机科学家引发的学术之争,将会演化为商业服务部门与市场部门之间的竞争。

哪一家公司会赢得这场竞争呢?收入下降的 IBM 可能会比谷歌更具紧迫感。IBM 知道进入市场过慢的惨痛经验和代价:去年夏天,IBM 斥资 340 亿美元收购了开源云服务供应商 Red Hat,这是有史以来该公司所开出的最高价码。通过此次收购,IBM 意图追赶亚马逊和微软,并逆转其财务现状。IBM 的战略部署是将自家的量子计算机放置在云端,并在一开始就建立起付费业务。这一做法似乎是为了让 IBM 在业界快人一步。

最近,谷歌也开始效仿 IBM 的做法,目前其商业用户包括美国能源部、大众汽车以及戴姆勒股份公司。马丁内斯对谷歌没有尽早采取行动的原因做出了简单的解释:“我们并没有将量子计算机设置在云端的资源。”不过,这也只是谷歌没有将其置于首要商业目标的另一种说法。

说这个决策会让 IBM 处于优势地位还为时过早,当前的首要问题是,接下来两家公司将会如何将各自的长处应用到问题的解决之中。吉尔表示,IBM 将会从 “全栈” 技术中获益,这其中涵盖了材料科学、芯片制造以及对大公司客户的服务。从另一方面看,谷歌可以在规模迅速扩大的运营中增强硅谷文化所带来的创新力以及实践能力。

至于量子霸权,这确实将会成为人类历史中的重要时刻,但它绝非具有决定性的意义。毕竟,人人都知道莱特兄弟的首次飞行,可是又有谁能记得他们在之后做了些什么吗?

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