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22:08:13 / 2012年10月26日

#量子計算#在來自亞馬遜創始人和中央情報局投資機構的資金支持下,加拿大D-Wave公司的革命性計算方法正蓄勢待發。


D-Wave系統

溫哥華郊區有間破敗的麥當勞,與它隔著馬路相對的,是一棟四四方方的建筑,里面有個比已知宇宙中任何角落都要冷的地方。在那

里有一塊計算機處理器,亞馬遜創始人杰夫-貝索斯和中央情報局的投資機構In-Q-Tel相信,它能利用量子力學的奇特性質,來提供比

任何傳統計算機芯片更多的計算能力。貝索斯和In-Q-Tel和其他一些投資者一起,為這種前景投資了三億美元。

如果他們賭贏了,世界上有些最棘手的計算問題--諸如尋找新藥物或者努力建設人工智能--的挑戰性將會戲劇性地降低;這項開

發也能洗清D-Wave的污名:這家創業企業花了八年時間努力建造一臺量子計算機,而杰出的物理學家們卻報以差不多是嘲笑的懷疑態

度。

D-Wave設計的超低溫處理器用來解決那些軟件工程師們稱為“最優化”的問題。這些難題的要點在于找出最高效的物流途徑,或者當

蛋白質中的原子遇到藥物化合物的時候會如何運動。D-Wave的創始人和首席技術官喬迪-羅斯說:“幾乎任何事都和最優化有關,它也

是計算機學習的基礎;而計算機學習差不多是互聯網上一切財富創造的根基所在?!睓C器學習是人工智能領域的一個分支,它讓未來

軟件能檢索世界各地的信息,并且制定合適的行動。它是語音識別和產品推薦之類技術的基礎,也是Google和亞馬遜這類依賴大量

數據的公司的優先研發內容。

In-Q-Tel公司負責信息與通信技術的副總裁羅伯特-埃姆斯在今天發表的聲明中說:“我們的情報界客戶有許多復雜問題,這些問題難

以用傳統的計算機結構解決?!盜n-Q-Tel的主要客戶是中央情報局和國家安全局,而這兩個部門在自動情報收集和分析方面的大量投

資已廣為人知。

羅斯的辦公室沒有窗戶,角落里擺著吉他和武士刀。他是一位自信的加拿大人,早在2007年就對記者們宣告了大新聞。當時他在加利

福尼亞州山景城計算機歷史博物館的一次高端活動中,發布了第一款概念驗證階段的D-Waves處理器?;顒拥膮⒓诱邆兛吹紻-Waves的

處理器(似乎)能解出數獨游戲,也能在一批其他化合物中找到與特定藥物分子高度匹配的化合物。但是在之后的數周、數月乃至數

年中,量子計算領域學術專家們的質疑和欺騙的指控大量襲來。羅斯最初對于公司多快能夠提升其芯片尺寸和性能的預測無疾而終,

而這家公司雖然依然資金充裕,卻消失在公眾的視野中。

到目前為止,貝索斯和In-Q-Tel是D-Waves公司最出名的贊助人,和他們簽約是該公司一系列行動中最新的一項。這些行動表示D-

Waves認為已經準備好對那些批評者做出最終回應了。2011年5月,該公司在最具學術影響力的《自然》期刊上發表了一篇論文,聲稱

率先證明了D-Waves的芯片具有一些能夠支持羅斯觀點的量子特性;Google的人工智能研究者們定期通過互聯網登錄D-Waves的計算機

進行試驗,該公司也在2011年簽下了第一個客戶;國防承包商洛克希德-馬丁為一部計算機支付了1000萬美元,這部計算機用來研究如

何在復雜項目中自動檢測軟件缺陷,比方說用在已經延遲了的F-35戰斗機項目中(參見《利用量子效應開發能學習的軟件》);至于

技術原理的問題,D-Waves說即將會有更多的證據;一塊改進過的處理器已經準備就緒,羅斯說這是該公司的第一個產品,而不是一臺

研究設備;D-Waves希望在未來的幾個月中宣布其他的主要客戶。

冷點

走進D-Waves一樓的辦公套房,你會看到平淡無奇的會議室、辦公室和小隔間。但是打開特定的門,離開主走廊,你就會出現在一個明

亮的白色實驗區,四個黑色的大家伙聳立其中。它們就是D-Waves的計算機,大體上是立方體的形狀,大約3米高,當過冷氣體在其中

循環時,會發出有節奏的尖銳聲音。每臺機器的側面都有一扇門,里面差不多是空的;只有一個從天花板垂下來的、像是射線槍的東

西,由距離很遠的幾個尺寸遞減的金屬盤構成,之間用線纜、支柱和鍍金及鍍銅的管子相連。這是名副其實的“冷槍”:在粗的那一

端,溫度是-452華氏度(-268.9攝氏度,或者4K),而在尖細的末端,溫度只在絕度零度之上千分之幾度--這里放著D-Waves一英寸

(2.54厘米)見方的芯片。太空最深處都沒有這么冷,也不會像這塊芯片一樣完全隔絕了磁場。這塊芯片是硅谷的一家工廠用鈮合金

蝕刻出來的,這種合金在超低溫時具有超導性。

在你用過的每臺計算機中,處理器都是用硅制成的,它的表面刻出了晶體管,構建出邏輯門--邏輯門是開關,能打開(在計算機編

程中往往用1來表示)和關閉(用0表示)。D-Waves的處理器的基礎也是能在1和0之間切換的開關,但是這些開關是鈮合金制成的小環

--在最新的處理器里,有512個這種東西。這些小環被叫做“量子比特”,它能讓電流陷入其中,當電流以順時針方向運動時表示0

,逆時針運動時表示1。還有些更小的超導環被叫做“連接器”,它們連接量子比特,使它們相互作用甚至彼此影響,在0和1之間變化

。

設計出這種精妙的結構,是為了讓量子比特的布局對應于一種算法,這種算法能夠解決特定類型的最優化問題,而這些問題是許多難

以用傳統計算機解決的任務的難點。這就像是工廠里的特定機器,用某種特定類型的原料,能把某件事做得很好。在D-Waves的芯片上

實現計算也需要提供這樣的原料,并且以數字方式把它送進硬編碼的算法中去。它的實現方式是把量子比特設置為某種1和0構成的模

式,再微調連接器,控制量子比特相互作用的方式。在不到一秒的等待之后,量子比特穩定在一個新值上,這代表處理器落在一種更

低的能態上,也暗示了原始問題的潛在解決方案。

在這段至關重要的等待中,發生了某種量子力學的現象。量子比特進入一種奇異的量子狀態,它們同時兼具1和0兩種狀態,就像薛定

諤的貓一樣既死又活,并且鎖定在一種奇怪的被稱為“糾纏態”的同步過程之中--這一現象曾被愛因斯坦描述為“幽靈”。這讓量

子比特構成的系統能在穩定在一種最簡單的或者接近最簡單的方案之前,在一瞬間探索每種可能的最終配置方式。

最少,這是D-Waves的科學家們的說法。關于在芯片中到底發生了什么依然還有許多疑問,而且不只是在該公司自己的物理學家、工程

師和計算機科學家的腦袋里有這些問題?!拔覀冎饕且越涷瀬斫ㄔ爝@個系統的,而不僅僅是依循理論?!盌-Waves的副總裁杰里米-

希爾頓說,他領導了這種處理器的開發。他和公司的其他工程師們并不真正知道在芯片里發生的事情,但是只要每個設計都給出了投

入的問題的答案,那么其中發生的量子物理過程的更好細節可以等到回顧性驗證的時候再說。

對投資者來說,這種態度似乎沒什么問題,但是它依然讓學術界心生怨懟?!霸诠こ虒W水平上,他們的確實現了一個在許多方面都令

人印象深刻的設計?!甭槭±砉W院的教授斯科特-阿倫森說,他研究的是量子計算的限制因素?!暗鞘褂昧孔訖C器解決問題的速度

應該比傳統計算機更快。以這種證據來看,我不覺得他們已經實現了(量子計算)?!痹?007年展示之后的幾年中,阿倫森一直是一

位嚴厲的批評者,但是自從D-Waves去年發表在《自然》上的論文展示了量子效應后,他的立場變得溫和了。阿倫森在二月的時候訪問

了這家公司的實驗室,他說:“過去,在市場需求和科學之間有著巨大的鴻溝,現在這種情況已經好轉了,但是依然有缺口。他們有

舉證責任,但是他們并沒有承擔起這項責任?!?br/>
阿倫森最大的詬病之處在于,D-Waves的設計看起來像是真能解決問題而無需量子效應,而在這種情形之下,可以簡單地把它想象成一

臺非常怪異的傳統計算機。他和其他批評者說,這家公司還需要證明兩個問題:它的量子比特真的能進入疊加態且實現量子糾纏,以

及這種芯片在和傳統計算機在解決同樣問題時相比,實現了巨大的“量子加速”。到目前為止,該公司尚未在同行評議論壇上提供任

何一個問題的證據。

羅斯說D-Waves正在忙于提供糾纏態的證據,而且最近和傳統計算機的對抗測試表明,在那些量子處理器被設計用來解決的問題上,它

的效果遙遙領先于傳統計算機。

阿倫森還說,D-Waves處理器的設計是對特定類型的問題硬編碼,這會限制它能解決的問題的范圍。而且,現在這種處理器上量子比特

的數量較少,這意味著它只能處理字長很短的數據。他說使用數學技巧把問題翻譯成能夠解決這些限制的正確形式,和每次D-Waves芯

片給出答案后就改變處理方式,都會導致嚴重的減速。羅斯反擊說,量子處理器會足夠快,足以應付這些問題;而且他有工程師正在

研究把普通的程序代碼自動轉化成D-Waves芯片所需形式的方法。

無論D-Waves是否能讓阿倫森和其他懷疑論者滿意,對于投資人和技術公司來說都不是什么問題。這是因為在商業的諸多領域,計算能

力都是獲取競爭優勢的決定性力量。德豐杰風險投資公司的合伙人史蒂夫-尤爾韋特松說。他在D-Waves上投資了兩次,稱之為他所投

資過的“最‘全壘打’的技術”。他說:“它的應用空間是任何我們不得不以落后的探索式方法--經驗方法--來解決問題的地方

:短線交易者,分子模擬,電子商務行業的任何人和世界各地的Google們和微軟們?!庇葼栱f特松說,像洛克希德-馬丁、亞馬遜、以

及大型制藥企業之類的公司對傳統計算機的限制十分熟悉,他們會是排頭兵;但是設計新車或者設計新在線商店等工作也會由此而受

益。

公司和政府部門會冒險投資這家有著令人迷醉的想法但是最終可能慘淡收場的創業企業,是因為有著另一種甚至更為急迫的動機。鮑

勃-盧卡斯說,我們可以相信,在過去數十年中以指數增長的計算能力,看來正在走到盡頭。他在南加利福尼亞大學管理著超級計算和

量子計算研究,洛克希德-馬丁公司的D-Wave計算機就安裝在他這里。計算能力諸多規律性的進步來自于芯片上電路尺寸年復一年的的

縮減,但是領先的芯片制造商英特爾正在制造僅有14納米寬電路的芯片,已經不會有太多更小的東西可以繼續發展了。盧卡斯說:“

過去十年中(傳統的)計算能力以指數級發展,而它的替代品看起來會更有趣?!彼a充道,經過他對洛克希德-馬丁的D-Wave系統的

實驗,他對這種技術的觀點已經從“高度懷疑”轉為“謹慎樂觀”了。
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