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量子計(jì)算或許會(huì)成為破解算力荒的重要一環(huán)。
記者丨楊月涵
AI“奇點(diǎn)”臨近，摩爾定律持續(xù)幾年的失效爭(zhēng)議突然銷聲匿跡，在技術(shù)的大潮下，人們仿佛達(dá)成了某種高度的默契。替代摩爾定律的是一條業(yè)內(nèi)流傳的AI算力增長(zhǎng)曲線，曲線顯示，大約每隔4個(gè)月，AI的計(jì)算需求就會(huì)翻倍，緊接著，算力缺口的探討逐漸升溫。
在2023中關(guān)村論壇上，北京量子院正式發(fā)布了“Quafu”量子計(jì)算云平臺(tái)，最多可同時(shí)操控136個(gè)量子比特的屬性，讓“Quafu”成為國(guó)內(nèi)規(guī)模最大、單芯片比特?cái)?shù)最早的云平臺(tái)。而在云平臺(tái)發(fā)布的十天前，量子計(jì)算初創(chuàng)公司玻色量子剛剛發(fā)布100量子比特相干光量子計(jì)算機(jī)，取名“天工量子大腦”。
人工智能和量子計(jì)算，在算力的“撮合”下，交匯出了巨大的想象空間量子計(jì)算是否會(huì)成為人工智能時(shí)代算力的終極解決辦法？
當(dāng)量子計(jì)算上云
2023中關(guān)村論壇前沿信息科技展臺(tái)量子信息展區(qū)，將“C位”留給了量子計(jì)算云平臺(tái)。
“這里顯示的是比特?cái)?shù)，有10比特、18比特、136比特三種可以選擇。”展臺(tái)前，北京量子院量子計(jì)算云平臺(tái)團(tuán)隊(duì)博士后楊智鵬不時(shí)要為有興趣的觀眾展示云平臺(tái)的操作過程，不同于實(shí)驗(yàn)室里復(fù)雜的操作，在這里，他只需要連上網(wǎng)，點(diǎn)點(diǎn)鼠標(biāo)就夠了。
“Quafu”團(tuán)隊(duì)創(chuàng)始成員、北京量子信息科學(xué)研究院博士后王正安解釋稱，在實(shí)際情況中，超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)是一套非常復(fù)雜的機(jī)器，在使用上有很多具體的問題要解決。“比如在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，需要將整套設(shè)備校準(zhǔn)到一個(gè)比較良好的運(yùn)行狀態(tài)，這個(gè)過程可能就需要幾天甚至幾個(gè)月的時(shí)間。而一段時(shí)間之后，由于環(huán)境的噪聲影響，它的狀態(tài)會(huì)逐漸變差，最后到達(dá)不可用的狀態(tài)，這時(shí)就要重新校準(zhǔn)。此外我們?cè)诔瑢?dǎo)量子計(jì)算機(jī)的操控、量子程序的編譯、錯(cuò)誤的矯正等方面都做了非常多工作。”他表示。
“最關(guān)鍵的是，只有設(shè)備還不夠，需要專業(yè)的人員去操作，這其中涉及到很多專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)性的東西，這樣的人才在國(guó)內(nèi)也很稀缺。”王正安稱，把量子計(jì)算機(jī)復(fù)雜的各個(gè)基礎(chǔ)部分做好，讓更多有需要的人只通過簡(jiǎn)單的操作就能使用，也是云平臺(tái)項(xiàng)目成立的初衷之一。
楊智鵬介紹：“量子計(jì)算云平臺(tái)意味著用戶只需要通過網(wǎng)絡(luò)連接我們的服務(wù)器，服務(wù)器就可以調(diào)用量子計(jì)算的設(shè)備，再返回相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，這樣研究者們就可以更方便地利用量子計(jì)算的資源去研究他們的問題。”
目前“Quafu”量子計(jì)算云平臺(tái)已對(duì)用戶開放測(cè)試，只需要注冊(cè)賬號(hào)就能免費(fèi)使用。據(jù)悉，云平臺(tái)的注冊(cè)用戶數(shù)已經(jīng)超過了2000人，包括高校、研究單位、企業(yè)以及愛好者等。
簡(jiǎn)化操作背后，更實(shí)際的問題還是成本。據(jù)了解，量子芯片需要的低溫環(huán)境以及配套的測(cè)控設(shè)備價(jià)格不菲，以云平臺(tái)的方式共享量子資源，提供研究手段，就是一個(gè)比較簡(jiǎn)單的解決高成本的方式。
在王正安看來，對(duì)于公眾，云平臺(tái)主要起到的是引導(dǎo)作用，通過提供量子真機(jī)，讓人們對(duì)量子計(jì)算有更真實(shí)的感受和體驗(yàn)；而對(duì)于科研院所、高校和企業(yè)中的科研人員，云平臺(tái)則是一個(gè)合作角色，可以提供量子資源，助力有關(guān)量子計(jì)算的科學(xué)研究。“這兩部分相輔相成，量子計(jì)算的生態(tài)才能逐漸壯大。”
從不避諱談“錢”
生態(tài)是一個(gè)信號(hào)。當(dāng)一項(xiàng)技術(shù)開始走出實(shí)驗(yàn)室談生態(tài)的時(shí)候，距離真正的應(yīng)用可能就不再是一件遙不可及的事情了。量子計(jì)算也需要“下凡”，賦能行業(yè)的可能性直線拉升。
量子計(jì)算蘊(yùn)藏著驚人的潛力。不同于經(jīng)典計(jì)算中，總是處于0或1確定狀態(tài)的二進(jìn)制模式，量子計(jì)算不僅能夠包含0和1，還能包含0和1同時(shí)存在的疊加態(tài)，這也意味著一個(gè)有n個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)，可以同時(shí)處于2的n次方種可能，算力呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)別的增長(zhǎng)。
目前量子計(jì)算技術(shù)路線呈現(xiàn)百花齊放的態(tài)勢(shì)，主要的技術(shù)路徑包括超導(dǎo)、離子阱及光量子等，在超導(dǎo)方面，布局者主要是IBM、谷歌、英特爾以及國(guó)內(nèi)的本源量子、國(guó)盾量子等，離子阱路線則包括霍尼韋爾以及國(guó)內(nèi)的啟科量子等。
玻色量子選擇更“相信光”。據(jù)介紹，玻色量子自研的“天工量子大腦”具有100個(gè)計(jì)算量子比特，已達(dá)國(guó)際領(lǐng)先水平，經(jīng)過數(shù)十個(gè)實(shí)際案例的測(cè)試驗(yàn)證，其求解速度比經(jīng)典優(yōu)化算法平均加速超過100倍，平均求解結(jié)果也優(yōu)于經(jīng)典算法120%。
同時(shí)，“天工量子大腦”也實(shí)現(xiàn)了上百規(guī)模光量子之間的“全連接”控制，具備完整的可編程能力，即對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和不同算法，硬件無需修改，完全通過軟件配置即可實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展、可編程。玻色量子副總裁陳亮認(rèn)為，這是量子計(jì)算從理論量子優(yōu)勢(shì)向?qū)嵱昧孔觾?yōu)勢(shì)發(fā)展的重要里程碑。
陳亮列舉出了光量子路線的諸多優(yōu)勢(shì)，包括相干時(shí)間長(zhǎng)、抗外界干擾能力強(qiáng)、量子比特?cái)?shù)更易于實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模化等，但最根本的原因還在于光量子路線在商業(yè)化方面的可行性。
比如不需要絕對(duì)零度附近的超低溫超導(dǎo)環(huán)境，在室溫下即可運(yùn)行的條件大大降低了成本，該路線的設(shè)備也可以升級(jí)復(fù)用現(xiàn)有的半導(dǎo)體和光學(xué)通信設(shè)備生產(chǎn)線，無需構(gòu)建新的生產(chǎn)線和加工流程，極大地降低了商業(yè)化門檻。
在交流的過程中，陳亮從不避諱“錢”的問題，他直言，玻色量子更強(qiáng)調(diào)的就是“實(shí)用型”光量子計(jì)算平臺(tái)研發(fā)和商業(yè)應(yīng)用落地，也就是做“實(shí)用化，能用且有用”的量子計(jì)算機(jī)，光量子路線的選擇，同樣是出于這樣的考量。
但對(duì)整個(gè)量子計(jì)算領(lǐng)域來說，真正商業(yè)化的到來或許還沒那么快。王正安提到，一旦利用好量子疊加和糾纏帶來的并行計(jì)算能力，經(jīng)典計(jì)算機(jī)將完全無法比擬。但是能夠充分發(fā)揮這種量子算力的算法目前還非常少，能解決的實(shí)際問題在現(xiàn)在看來也十分有限。
“而在實(shí)驗(yàn)層面的難點(diǎn)則在于量子態(tài)非常脆弱，要實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)的量子計(jì)算需要足夠的操控精度以及大量冗余的量子比特進(jìn)行糾錯(cuò)。”王正安表示，因此大規(guī)模量子比特的集成以及其計(jì)算保真度的提升是量子計(jì)算的主要目標(biāo)。
誰是量子界的英特爾
量子計(jì)算蘊(yùn)含的巨大潛力也與當(dāng)下人工智能競(jìng)賽引發(fā)的“算力荒”形成了閉環(huán)。今年4月，因需求量過大，ChatGPT Plus銷售一度暫停，計(jì)算資源供不應(yīng)求的討論瞬間被引爆。
OpenAI的報(bào)告曾顯示，訓(xùn)練一次1746億參數(shù)的GPT-3模型需要的算力約3640PFlop/s-day，即假如每秒計(jì)算一千萬億次，也需要計(jì)算3640天，對(duì)應(yīng)訓(xùn)練成本超過1200萬美元，而歷經(jīng)GPT-1、GPT-2、GPT-3三次迭代的GPT-3.5模型，參數(shù)量已從1.17億增至1750億，預(yù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)量從5GB增至45TB。
國(guó)內(nèi)也是如此，人工智能大模型點(diǎn)燃算力爆點(diǎn)之前，包括自動(dòng)駕駛、元宇宙等領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)就已經(jīng)對(duì)算力提出了更高的要求。信通院的數(shù)據(jù)顯示，2016-2021年間，我國(guó)算力規(guī)模平均每年增長(zhǎng)46%，截至目前，以計(jì)算機(jī)為代表的算力產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到2.6萬億元，直接帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)出2.2萬億元。
公開資料顯示，當(dāng)前算力已經(jīng)成為數(shù)字經(jīng)濟(jì)的核心生產(chǎn)力，數(shù)據(jù)和應(yīng)用的多樣性驅(qū)動(dòng)不同計(jì)算架構(gòu)齊頭并進(jìn)。ARM、RISC-V等通用計(jì)算技術(shù)路線全面迸發(fā)， GPU、NPU、DPU等異構(gòu)智算平臺(tái)繁榮發(fā)展，算力的多樣性特征已廣為顯現(xiàn)。
量子計(jì)算或許會(huì)成為破解算力荒的重要一環(huán)。今年2月，華安證券的一份研報(bào)顯示，ChatGPT帶來大模型時(shí)代變革，算力與網(wǎng)絡(luò)設(shè)施建設(shè)成為剛需。量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。相較經(jīng)典計(jì)算機(jī)算力呈指數(shù)級(jí)爆發(fā)式增長(zhǎng)。目前量子計(jì)算機(jī)已被證明在特定計(jì)算任務(wù)上具備指數(shù)加速能力，即實(shí)現(xiàn)所謂的“量子霸權(quán)”。
王正安也表示，量子計(jì)算和人工智能的結(jié)合是目前量子計(jì)算領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，因?yàn)槿斯ぶ悄芡黄破款i很可能需要借助量子計(jì)算提供的超越經(jīng)典方式的計(jì)算能力。
“算力之于人工智能時(shí)代，就好比土地之于農(nóng)耕時(shí)代、石油之于內(nèi)燃機(jī)時(shí)代，未來的技術(shù)之爭(zhēng)少不了算力之爭(zhēng)，而量子計(jì)算能為算力帶來飛躍式的提升，是人工智能競(jìng)爭(zhēng)的核心資源之一。”中科創(chuàng)星創(chuàng)始合伙人米磊判斷，一旦量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)突破，脫穎而出的量子計(jì)算企業(yè)市值對(duì)標(biāo)的就是當(dāng)下的英特爾、英偉達(dá)等公司。
中科創(chuàng)星也密切關(guān)注量子科技領(lǐng)域的前沿技術(shù)，投資了本源量子和中科酷原兩家量子計(jì)算領(lǐng)域公司。其中本源量子是中國(guó)第一家量子計(jì)算公司，也是中國(guó)首個(gè)研發(fā)出工程化超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的公司。
但是從技術(shù)發(fā)展階段上看，量子技術(shù)領(lǐng)域仍處于萌芽階段。米磊認(rèn)為，投資量子技術(shù)就要有耐心，以十年為周期布局，做長(zhǎng)期奮戰(zhàn)的打算。目前，我國(guó)在量子科技方面的專利數(shù)量、質(zhì)量較歐美國(guó)家還有差距，仍需國(guó)內(nèi)一些機(jī)構(gòu)和企業(yè)持續(xù)投資這一領(lǐng)域。
王正安提到，從目前的趨勢(shì)來看，量子計(jì)算需要和經(jīng)典計(jì)算手段共同發(fā)展。也就是說，量子計(jì)算在未來較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)可能先作為一種協(xié)助經(jīng)典計(jì)算的手段出現(xiàn)，即所謂的量子協(xié)處理器。之后才會(huì)出現(xiàn)純量子的“殺手锏”應(yīng)用，這時(shí)是量子計(jì)算作為主導(dǎo)地位，經(jīng)典手段是輔助。
