黑科技 IT 由蓝色巨人IBM发布的全球第一款商用量子电脑“蒙娜丽莎”说起

由蓝色巨人IBM发布的全球第一款商用量子电脑“蒙娜丽莎”说起

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量子电脑(quantum computer)被视为下个世代的前缘技术,在众多巨头中,IBM是目前台面上,技术能力最具突破性的代表。早在1998年,IBM就开发出第一个量子位元(qubit),也是第一家通过云端提供量子运算服务的公司。

之所以布局的这么早,IBM东京研究所所长森本典繁(Norishige Morimoto)解释,量子电脑的运算能力,极有可能在将来超越现在的超级电脑,而当运算能力发展到难以想像的地步时,不只具科学、化学研究的重要性,也可能跟国家安全保障有关,“会投入研发,是我们提前看到技术上的威胁。”

2016年,IBM推出第一台拥有5个量子位元的量子电脑,并推出云端量子运算服务IBM Q Experience,开放给企业、大学等研究单位应用量子运算资源。截至目前,已经有超过12万名用户,在上面执行超过一千万次的实验、发表超过150篇相关论文。

全球第一台专为商用、科学设计的电脑

很快地,2017年11月,IBM宣布研发出50量子位元的原型机,并在2018 CES(美国国际消费电子展)中正式对外展示,倒圆锥外型的特殊结构、宛如吊灯的外型,吸引不少关注。当时IBM研究主席杰夫·韦瑟(Jeffery Welse)还胸有成竹表示,IBM有信心在十年内打造出一台具备50到100位元的量子电脑,“只需要几分钟的时间,就能得到传统电脑花费5天运算才能得到的结果。”激起不少人对于量子运算的期待与想像。

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准备好进入量子时代了吗?“只需要几分钟,量子电脑就能算出传统电脑花5天运算的结果”,IBM一番豪语激起不少人对量子运算的期待与想像。

让量子电脑走出实验室,一直是IBM的目标,然而完整的量子电脑系统非常庞大,若加上冷却、电源管理系统,就占掉IBM在纽约实验室的一整个房间。一年多前IBM开始针对量子运算系统优化,在CES 2019展中,IBM向全世界展示了全新的量子电脑“IBM Q System One”,这是一台20量子位元的电脑,虽然跟传统电脑相比,在运算能力上并没有太多优势,但特殊之处在于它把上千个精密的零件,以模组化的方式全部塞进一个密闭的玻璃外罩中,并找来《蒙娜丽莎》展示柜的制造团队操刀,宛如艺术品呈现在大众眼前。

由蓝色巨人IBM发布的全球第一款商用量子电脑“蒙娜丽莎”说起插图(1)
模组化精密设计: IBM将量子电脑上千个精密零件,以模组化方式放进玻璃外罩中,并找来《蒙娜丽莎》展示柜的制造团队操刀,向全世界展示首台商用量子电脑“IBM Q System One”。

IBM Q System One是第一个专为科学、商业用途而设计的量子电脑,模组化的精密设计,大幅提升了环境的稳定度,重要的意义在于协助开发者建立起量子电脑与一般电脑之间的介面,用来测试更多与量子电脑相关的应用,让脆弱的量子电脑,有了走出实验室的机会。

IBM认为比起量子位元数的多寡,整体系统的质量、可靠性更为重要。今年3月,IBM开发出量子体积指标(Quantum Volume metric),这是一个用来测量量子电脑效能的指标,量子体积越高代表性能越强,现实中许多难解的问题,也就有被解决的可能。

虽然IBM Q System One量子位元仅有20,不过量子体积达到16,是目前为止最高的量子体积,这意味着IBM量子电脑的错误率降低,系统发展趋于稳定。不过像是量子位元数量(Number of Qubits)、设备连接(Device Connectivity)、相干时间(Coherence Time)、闸门和测量误差(Gate and Measurement Errors)、设备交叉通讯(Device Cross Talk)、电路软体编译效率(Circuit Software Compiler Efficiency)等许多因素都会影响量子体积。

此外,IBM抛出量子性能“摩尔定律”的概念,2017年拥有5量子位元的IBM Q Tenerife,量子体积为4;隔年IBM Q量子位元为20,量子体积为8;今年IBM Q System One虽然量子位元依然是20,但量子体积已经成长到16,显示自2017年以来,IBM量子体积每年都成长一倍,跟半导体摩尔定律非常类似。IBM的目标,是至少每年增加一倍的量子体积,朝量子霸权(quantum supremacy)的目标前进。

IBM认为,量子电脑并非要取代传统电脑,而是要通过高速的运算能力,补足现今系统的不足。量子运算的发展目前仍在早期的阶段,森本典繁用“商业化前期(Pre-commercial)”来描述目前产业的状态,即便已经开发出量子运算系统,适合的关键应用还没有出现。

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量子技术要的人才:数学、物理、产业知识都要有

许多媒体、专家都预测,因为拥有极快的运算速度,量子电脑商用后,也许可以在机器学习、模拟化学方程式、材料开发、投资组合平衡优化、风险分析等领域发挥优势。不过森本典繁认为,这些都只是商业上的预测,哪种应用最适合用量子电脑来做还很难说,“化学方程式模拟”是目前所知比较可能的量子电脑应用之一。

IBM目前规划将IBM Q的运算能力,通过网路的方式出租给客户使用,而不是直接把整台机器运送给客户。IBM云端软体平台Qiskit,同时也向IBM Q Experience、IBM Q Network用户开源,下载次数超过19万次,让用户有机会通过量子做开发。

IBM相信接下来几年,量子电脑带来的冲击会超过目前实验室内的研究,这也是为什么IBM想让所有的企业都做到“准备好进入量子时代”的状态,也许在不久的将来,产业将会发现第一个适合量子电脑的关键应用。

量子是一个完全推翻古典物理学概念的领域,森本典繁认为,优秀的量子人才必须具备数学、物理以及产业知识,这样的人才目前非常稀少,要培养也不容易。若量子电脑要有突破性的发展,需要靠不受古典物力学限制的“Quantum native(量子原住民)”,也因此,IBM研究院开发出全世界第一款开源量子游戏“Entanglion”,这是一款可以让两名玩家一起玩的手游,玩家可在游戏中学习到量子位元、量子纠缠等等的量子电脑原理。

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培养量子原住民,就靠它!IBM开发出全球第一款开源量子游戏“Entanglion”,玩家可以从中学习到量子位元、量子纠缠等量子电脑原理。

即便量子电脑看似离我们遥远,从资安角度来看,量子电脑可能突破现有的密码机制,对现今的通讯、密码架构产生影响,但森本典繁认为,不必把新技术看成一种威胁,反而要从现在开始关注量子电脑,“这是一个自然的趋势,无论是量子电脑或是AI(人工智慧)都是一样的。”

专家观点

森本典繁:3到5年内,量子电脑就会有巨大技术突破

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森本典繁毕业于麻省理工学院,在版权保护、数位浮水印领域中,拥有超过20项专利。

“量子电脑是一个很刺激的题目。”脸上带着一抹骄傲微笑,生于台湾的森本典繁(Norishige Morimoto),除了是IBM第一波投入量子电脑研究的人才,更是这一波量子浪潮中,最具代表性的人物之一。

40年前,当时就读中学的森本典繁,某次在书中读到有关量子的知识,从此让他眼界大开,“像是一个科幻故事一样,当时不觉得这是科学性的东西。”因为我们一直都是接受古典物力学的训练,而量子科学是一个与现在科学认知完全不同的概念。

为了研究量子电脑,2006年森本典繁从日本飞往IBM位于美国纽约的研究所,一待就是三年。“我当时是IBM资深副总裁约翰·凯利三世(John E. Kelly III)的特助。”约翰·凯利三世是直接向IBM执行长罗密提(Ginni Rometty)负责的。

“当时我几乎所有的技术都有接触,所有他(指约翰·凯利三世)review的东西我都看得到。”这份特助的工作,让森本典繁在对于新技术的理解上大为精进。这样“特助”的角色,其实很类似亚马逊执行长贝佐斯身旁的“影子顾问”,目的是把重要的员工带在身边以便言传身教,就是希望这些人未来可在公司担起最具挑战性的业务。

森本典繁其实跟台湾有很深的渊源,他的妈妈是台湾人,他在台湾出生,直到小学三年级才到日本,“我以前住在北投,我会台语、国语、英文、日文,还有一点点韩文。”今年(2019)在台湾IBM Think大会上,当森本典繁要上台发表演说时,所有人都戴上了口译耳机,结果森本第一句话就让台下观众惊艳不已:“大家好,我国文很好,台语也可以。”观众发出阵阵笑声,才知道原来他中文这么好,甚至一点口音都没有。

今年已经是森本典繁在IBM工作的第32个年头,“这是我第一份工作,刚开始是做类比电路工程师,” 主要是开发电脑显示器的映像管,“我学好后,映像管被IBM淘汰,之后就让声宝、大同这些公司做。”在转换专业领域之前,因为熟悉技术与中文,森本典繁曾多次回到台湾,与声宝、大同技术交流。

森本典繁强调,量子电脑的出现并非要取代传统电脑,“它们(指量子电脑)可以解决某些难以解决的问题,以此补足现今系统的不足。”虽然产学界投入许多资源在研究量子电脑,然而时至今日,还没有找出关键的应用,森本典繁用感情来比喻,“找量子电脑的应用,有点像是找另一半,现在还没找到。”其实问题可能就在眼前,却被思维限制而看不到,这是目前整个产业还很难找到关键应用的原因。

从映像管到量子电脑,森本典繁一直走在技术的最前缘,他认为,量子电脑发展需要一批不受古典物理学限制的“量子原住民”(Quantum native)加入。
优秀的量子人才,必须具备数学、物理以及产业知识,森本典繁观察,现在很少人同时具备这三种能力,要培养也不容易,“就算学好了(指物理化学知识)也没用,必须知道产业问题在哪里”,才能将技术实际应用在产业中解决问题。

对他来说,量子电脑最迷人之处,在于它的深不可测,“其他业务比较Organic Growth(有机增长)。量子电脑不能预测,也许在某个地方出现一个天才,技术一下子就会突破。”森本典繁乐观认为,巨大的技术突破,极有可能在3到5年内就会出现,“我对未来发展是很乐观的,光想就很兴奋。”

本文来自网络,不代表黑科技立场,转载请注明出处。

作者: thinkou

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