近日消息，據(jù)國外媒體報道，加拿大公司D-Wave開創(chuàng)了革命性的運算方法，獲得了亞馬遜創(chuàng)始人杰夫·貝索斯(Jeff Bezos)和美國中情局旗下投資機構(gòu)In-Q-Tel的投資，以下為全文摘要：
在溫哥華郊區(qū)內(nèi)一處建筑物里，有一個地方比宇宙中其他任何地方都更冷。它的里面是一個計算機處理器，亞馬遜創(chuàng)始人杰夫·貝索斯和中央情報局旗下的投資機構(gòu)In-Q-Tel相信，它可以利用量子力學(xué)特性，釋放遠遠超過傳統(tǒng)計算機芯片的運算能力。貝索斯和In-Q-Tel跟其他投資者們一起，為這一前景投入3000萬美元。
D-Wave處理器據(jù)稱可以進行量子運算，圖中是其冷卻和屏蔽裝置的一部分
如果事情順利，世界上最棘手的一些運算問題，比如尋找新藥物或創(chuàng)建人工智能，將會變得容易得多;而且D-Wave Systems公司的聲譽也將得以保全。這家創(chuàng)業(yè)公司花了8年時間來制造量子計算機，卻一無所獲，遭到了著名物理學(xué)家們的懷疑乃至于嘲弄。
D-Wave的處理器旨在處理軟件工程師所說的“優(yōu)化”問題。比如找出的最有效的配送路線，或蛋白質(zhì)中的原子在遇到藥物化合物時如何移動，這類難題的核心就是“優(yōu)化”問題。D-Wave的創(chuàng)始人和首席技術(shù)官喬迪·羅斯(Geordie Rose)說：“幾乎一切事情都跟優(yōu)化有關(guān)，它是機器學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，而機器學(xué)習(xí)是互聯(lián)網(wǎng)上創(chuàng)造的所有財富的基石。”機器學(xué)習(xí)是人工智能的一個分支。在機器學(xué)習(xí)中，軟件檢查現(xiàn)在的信息，為將來制定適當(dāng)?shù)男袆臃绞?，它是語音識別和產(chǎn)品推薦等技術(shù)的基礎(chǔ)。在像谷歌(微博)和亞馬遜這樣依賴于大數(shù)據(jù)的公司中，機器學(xué)習(xí)是一個需要優(yōu)先研究的方面。
羅伯特·艾姆斯(Robert Ames)是In-Q-Tel的信息和技術(shù)副總裁，他在最近發(fā)布的一份聲明里說：“我們的情報界用戶面臨很多復(fù)雜問題，這給運算架構(gòu)帶來了很大壓力。”In-Q-Tel的主要“用戶”包括美國中央情報局和國家安全局，這兩家機構(gòu)都在自動化情報收集和分析方面投入了巨額資金。
羅斯是一個自信滿滿的加拿大人，他的辦公室里沒有窗戶，角落里放著一把吉他和一把日本武士刀。羅斯最初向記者們宣布重大消息是在2007年：在加利福尼亞州山景城的計算機歷史博物館里，他舉辦了一個高調(diào)的發(fā)布會，推出了D-Wave的首個概念型處理器。在與會者們的注視下，D-Wave處理器(似乎)解決了數(shù)獨謎題，并在一堆化合物中找出了最接近某種藥物分子的東西。但在那之后的數(shù)周、數(shù)月和數(shù)年里，來自于量子運算學(xué)術(shù)專家的懷疑和欺詐指控像雨點一樣落在D-Wave頭上。羅斯關(guān)于其芯片尺寸和能力發(fā)展速度的預(yù)言也沒有能夠?qū)崿F(xiàn)。D-Wave雖然資金充裕，但卻在公眾視野里沉寂下來。
貝索斯和In-Q-Tel是D-Wave最有名的投資者，從它們那里獲得資金以及其他一系列事件表明，D-Wave 認為自己已經(jīng)準備好對批評者做出回應(yīng)了。2011年5月，該公司在著名的《自然》雜志上發(fā)表了一篇論文。一些知名學(xué)者說，這是第一篇可以證明D-Wave芯片具有量子特性的論文。谷歌的人工智能研究者定期通過互聯(lián)網(wǎng)登錄到一臺D-Wave計算機上，對它進行測試。2011年，D-Wave公司也獲得了首位客戶：軍用設(shè)備制造商洛克希德·馬丁(Lockheed Martin)為了使用D-Wave一臺計算機來研究復(fù)雜項目(比如F-35戰(zhàn)斗機)軟件錯誤的自動檢測，支付了1000萬美元。這項技術(shù)究竟如何是發(fā)揮作用的，人們?nèi)匀徊皇呛芮宄?，但D-Wave說，更多的證據(jù)即將出現(xiàn)。該公司正在制作一個改進型處理器，羅斯說這是第一臺真正的產(chǎn)品，而不是研究設(shè)備。D-Wave有望在未來幾個月中獲得其他大牌客戶。
進入D-Wave一樓辦公區(qū)，迎接你平淡無奇的會議室、辦公室以及小隔間，但主通道的一扇大門之后，是一個明亮的白色實驗區(qū)，這里矗立著四個黑色的大家伙，它們就是D-Wave的計算機，呈立方體形，和大約10英尺(約3米)高。極低溫氣體在里面循環(huán)，發(fā)出了一種有節(jié)奏的尖銳聲音。每臺機器側(cè)面都有一扇門，里面大部分都是空的，只有天花板上垂下的一架射線槍似的東西，由5個尺寸遞減的金屬盤組成，被電纜、支架以及鍍了黃金和銅的管道維系在一起。它實際上是一架“低溫槍”：溫度在較粗的一端為-452華氏度(-268.9攝氏度，4 °Kelvin)，而在較細的一端只比絕對零度高千分之幾度，在這一端，就放著D-Wave大約1英寸(2.54厘米)見方的芯片。太空最深處也沒有如此寒冷，如此嚴密地屏蔽了磁場。這顆芯片由硅谷的一家工廠蝕刻制作，它所采用的鈮合金在超低溫條件下具有超導(dǎo)特性。
你們使用過的每一臺計算機，其處理器都是用硅制成的，它上面蝕刻的晶體管構(gòu)建出了邏輯門—— 邏輯門就是開關(guān)，只有兩種狀態(tài)，要么是開(在計算機編程中用1表示)要么是關(guān)(0)。構(gòu)成D-Wave的處理器也能在1和0之間切換，但它們是鈮合金回路，最新的D-Wave處理器中有512個這種回路，這些回路被稱為量子比特(qubit)，它們可以捕獲電流，電流在回路中要么順時針流動(代表0)，要么逆時針流動(1)。更小的超導(dǎo)回路被稱為“耦合器”(coupler)，它們連接量子比特，使其能夠進行互動，甚至影響彼此在1和0之間的翻轉(zhuǎn)。
這種精巧的結(jié)構(gòu)，旨在讓量子比特的布局對應(yīng)一個算法，以解決某一特定的優(yōu)化問題——傳統(tǒng)處理器難以解決的很多任務(wù)的核心問題。它就像一家工廠里的專用機器，非常擅長于做一件事，使用的是一種特定原材料。在D-Wave處理器上進行運算，所需要的是數(shù)字形式的原材料，它會被輸入到“硬編碼”(hard-coded)算法中。操作方式則是把量子比特設(shè)置成1和0的布局，并微調(diào)耦合器，讓量子比特進行互動。然后經(jīng)過不到一秒鐘的等待，量子比特穩(wěn)定在一些新的值上，這意味著處理器處于較低的能量狀態(tài)，問題的潛在解決方案已經(jīng)得出。
在等待的那一瞬間中，處理器里發(fā)生了某種量子力學(xué)現(xiàn)象。量子比特進入一個奇怪的量子狀態(tài)，在這種狀態(tài)中，它們同時既是1又是0，就像薛定諤的貓，即是死的也是活的，而且量子比特鎖定在一個奇怪的同步過程中，名為“量子糾纏”(entanglement)，愛因斯坦有一次曾說它“令人毛骨悚然”。正是“量子糾纏”，讓這套量子比特系統(tǒng)可以在一瞬間中試探每一種可能的最終組合，然后獲得一個最簡單(或非常接近于最簡單)的組合。
至少，D-Wave的科學(xué)家就是這么解釋的。該公司芯片的內(nèi)部到底發(fā)生了什么事，還存在著很多疑問。在D-Wave自己的物理學(xué)家、工程師和計算機科學(xué)家的腦海中，問題尤其多。杰里米·希爾頓(Jeremy Hilton)是D-Wave 負責(zé)處理器開發(fā)的副總裁，他說：“我們依據(jù)經(jīng)驗，而不僅僅是根據(jù)理論，建立了這個系統(tǒng)。”他和公司的其他工程師都不知道芯片里到底發(fā)生了什么，但只要每個芯片設(shè)計都為問題提供了答案，芯片內(nèi)部發(fā)生的量子物理學(xué)現(xiàn)象包含了什么更精細的細節(jié)，可以等到回顧性驗證時再說。
這種態(tài)度，對投資者來說似乎不成問題，但卻仍然讓學(xué)者們耿耿于懷。斯科特·阿倫森(Scott Aaronson)是麻省理工學(xué)院的教授，研究量子運算的局限性。他說：“在工程水平上，D-Wave的設(shè)置從很多方面來說都令人印象深刻，但他們說用量子力學(xué)解決問題的速度比你用傳統(tǒng)方式快，我不認為有什么確鑿證據(jù)。”在D-Wave公司 2007年演示后的多年中，阿倫森一直是一位激烈的批評者，但去年該公司在《自然》上發(fā)表的論文顯示了量子效應(yīng)后，阿倫森的立場軟化了。“過去，D-Wave的營銷聲明和科學(xué)之間存在一條巨大的鴻溝，現(xiàn)在這條鴻溝縮小了，但還是有差距。”阿倫森說，他今年二月造訪了D-Wave的實驗室。“舉證責(zé)任是在他們那里，但他們至今還沒有滿足這個要求。”
阿倫森最大的牢騷是，就算在沒有量子效應(yīng)的情況下，D-Wave系統(tǒng)的設(shè)計似乎也能解決問題，如果真是這樣，它就會是一臺很奇怪的傳統(tǒng)計算機。他和其他批評者說，該公司仍然必須證明兩件事，一是D-Wave的量子比特真的可以進入疊加態(tài)(superposition)，實現(xiàn)量子糾纏，二是跟傳統(tǒng)計算機相比，D-Wave的芯片在解決同樣的問題時，具有明顯的“量子高速度”。到目前為止，該公司還沒有在同行評審論壇上提供任何一個問題的證據(jù)。
羅斯說，D-Wave正在努力尋找量子糾纏的證據(jù)，此外，最近跟傳統(tǒng)計算機進行比較的測試表明，D-Wave計算機在處理它所針對的問題時，速度遙遙領(lǐng)先于傳統(tǒng)計算機。
阿倫森也說，D-Wave的處理器針對特定類型的問題進行了“硬編碼”，這會限制它可能解決的問題的范圍。此外，處理器上的量子比特數(shù)目相對較少，意味著它能處理的數(shù)據(jù)字長很短。阿倫森說，為了解決這些問題，需要使用數(shù)學(xué)方式把問題翻譯成正確的形式，等D-Wave芯片給出答案時，再倒轉(zhuǎn)這個過程，用數(shù)學(xué)方式把答案翻譯出來，這些步驟可能導(dǎo)致速度明顯變慢。羅斯則回應(yīng)說，量子處理器的速度非常快，足以克服任何這樣的缺點，他說工程師們正在尋找方法，以便自動轉(zhuǎn)換普通程序代碼的形式，使其符合D-Wave芯片的輸入需求。
對投資者和技術(shù)公司來說，D-Wave能否說服阿倫森和其他懷疑者并不是太重要。因為在商業(yè)的很多領(lǐng)域，運算能力是保持競爭優(yōu)勢的關(guān)鍵因素，史蒂夫·尤爾韋松(Steve Jurvetson)是德豐杰公司(Draper Fisher Jurvetson)的合伙人，曾兩次給D-Wave投資，他說在自己投資過的項目中，這是“最奇特的孤注一擲的技術(shù)”。尤爾韋松說：“有些時候，我們必須退回到使用‘經(jīng)驗法則’(rule of thumb)來解決問題，在任何這樣的時候，你就可以應(yīng)用這項技術(shù)。做短線交易，建立分子模型，開展電子商務(wù)，谷歌和微軟這樣的公司，都可以利用它。”尤爾韋松說，像洛克希德、亞馬遜和大型制藥公司這樣的企業(yè)，最了解傳統(tǒng)計算機的局限性，它們會首當(dāng)其沖地采用這項技術(shù)，但如果你想設(shè)計一輛新的汽車，或是一家新的網(wǎng)店，你也能從這項技術(shù)中受益。
D-Wave的理念十分吸引人，但它也有一些說不清道不明的地方。一些公司和政府機構(gòu)之所以愿意給D-Wave投資，還有另外一個原因，而且也許是一個更加迫切的原因。鮑勃·盧卡斯(Bob Lucas)說，在過去的幾十年里，運算能力呈現(xiàn)了指數(shù)式增長，我們有理由相信，這種增長勢態(tài)將會終結(jié)。盧卡斯在南加州大學(xué)負責(zé)指導(dǎo)超級計算和量子運算方面的工作，洛克希德公司的D-Wave計算機就安裝在這里。運算能力出現(xiàn)規(guī)律性增長，一個主要原因是芯片上的連接線在逐年變細，但領(lǐng)先的芯片制造商英特爾目前正在開發(fā)14納米工藝，再大幅提升這一工藝不太可能。盧卡斯說：“過去的10年中，傳統(tǒng)運算能力呈現(xiàn)了指數(shù)增長，以后，它的替代品將更加令人感興趣，”他也補充說，在洛克希德公司的D-Wave系統(tǒng)上做過實驗之后，他對這項技術(shù)的態(tài)度已經(jīng)從“高度懷疑”轉(zhuǎn)變成了“謹慎樂觀”。
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