亚马逊贝索斯河中情局联手研制量子计算机

近日消息，据国外媒体报道，加拿大公司D-Wave开创了革命性的运算方法，获得了亚马逊创始人杰夫·贝索斯(Jeff Bezos)和美国中情局旗下投资机构In-Q-Tel的投资，以下为全文摘要：

在温哥华郊区内一处建筑物里，有一个地方比宇宙中其他任何地方都更冷。它的里面是一个计算机处理器，亚马逊创始人杰夫·贝索斯和中央情报局旗下的投资机构In-Q-Tel相信，它可以利用量子力学特性，释放远远超过传统计算机芯片的运算能力。贝索斯和In-Q-Tel跟其他投资者们一起，为这一前景投入3000万美元。

D-Wave处理器据称可以进行量子运算，图中是其冷却和屏蔽装置的一部分

如果事情顺利，世界上最棘手的一些运算问题，比如寻找新药物或创建人工智能，将会变得容易得多;而且D-Wave Systems公司的声誉也将得以保全。这家创业公司花了8年时间来制造量子计算机，却一无所获，遭到了著名物理学家们的怀疑乃至于嘲弄。

D-Wave的处理器旨在处理软件工程师所说的“优化”问题。比如找出的最有效的配送路线，或蛋白质中的原子在遇到药物化合物时如何移动，这类难题的核心就是“优化”问题。D-Wave的创始人和首席技术官乔迪·罗斯(Geordie Rose)说：“几乎一切事情都跟优化有关，它是机器学习的基础，而机器学习是互联网上创造的所有财富的基石。”机器学习是人工智能的一个分支。在机器学习中，软件检查现在的信息，为将来制定适当的行动方式，它是语音识别和产品推荐等技术的基础。在像谷歌(微博)和亚马逊这样依赖于大数据的公司中，机器学习是一个需要优先研究的方面。

罗伯特·艾姆斯(Robert Ames)是In-Q-Tel的信息和技术副总裁，他在最近发布的一份声明里说：“我们的情报界用户面临很多复杂问题，这给运算架构带来了很大压力。”In-Q-Tel的主要“用户”包括美国中央情报局和国家安全局，这两家机构都在自动化情报收集和分析方面投入了巨额资金。

罗斯是一个自信满满的加拿大人，他的办公室里没有窗户，角落里放着一把吉他和一把日本武士刀。罗斯最初向记者们宣布重大消息是在2007年：在加利福尼亚州山景城的计算机历史博物馆里，他举办了一个高调的发布会，推出了D-Wave的首个概念型处理器。在与会者们的注视下，D-Wave处理器(似乎)解决了数独谜题，并在一堆化合物中找出了最接近某种药物分子的东西。但在那之后的数周、数月和数年里，来自于量子运算学术专家的怀疑和欺诈指控像雨点一样落在D-Wave头上。罗斯关于其芯片尺寸和能力发展速度的预言也没有能够实现。D-Wave虽然资金充裕，但却在公众视野里沉寂下来。

贝索斯和In-Q-Tel是D-Wave最有名的投资者，从它们那里获得资金以及其他一系列事件表明，D-Wave 认为自己已经准备好对批评者做出回应了。2011年5月，该公司在著名的《自然》杂志上发表了一篇论文。一些知名学者说，这是第一篇可以证明D-Wave芯片具有量子特性的论文。谷歌的人工智能研究者定期通过互联网登录到一台D-Wave计算机上，对它进行测试。2011年，D-Wave公司也获得了首位客户：军用设备制造商洛克希德·马丁(Lockheed Martin)为了使用D-Wave一台计算机来研究复杂项目(比如F-35战斗机)软件错误的自动检测，支付了1000万美元。这项技术究竟如何是发挥作用的，人们仍然不是很清楚，但D-Wave说，更多的证据即将出现。该公司正在制作一个改进型处理器，罗斯说这是第一台真正的产品，而不是研究设备。D-Wave有望在未来几个月中获得其他大牌客户。

进入D-Wave一楼办公区，迎接你平淡无奇的会议室、办公室以及小隔间，但主通道的一扇大门之后，是一个明亮的白色实验区，这里矗立着四个黑色的大家伙，它们就是D-Wave的计算机，呈立方体形，和大约10英尺(约3米)高。极低温气体在里面循环，发出了一种有节奏的尖锐声音。每台机器侧面都有一扇门，里面大部分都是空的，只有天花板上垂下的一架射线枪似的东西，由5个尺寸递减的金属盘组成，被电缆、支架以及镀了黄金和铜的管道维系在一起。它实际上是一架“低温枪”：温度在较粗的一端为-452华氏度(-268.9摄氏度，4 °Kelvin)，而在较细的一端只比绝对零度高千分之几度，在这一端，就放着D-Wave大约1英寸(2.54厘米)见方的芯片。太空最深处也没有如此寒冷，如此严密地屏蔽了磁场。这颗芯片由硅谷的一家工厂蚀刻制作，它所采用的铌合金在超低温条件下具有超导特性。

你们使用过的每一台计算机，其处理器都是用硅制成的，它上面蚀刻的晶体管构建出了逻辑门—— 逻辑门就是开关，只有两种状态，要么是开(在计算机编程中用1表示)要么是关(0)。构成D-Wave的处理器也能在1和0之间切换，但它们是铌合金回路，最新的D-Wave处理器中有512个这种回路，这些回路被称为量子比特(qubit)，它们可以捕获电流，电流在回路中要么顺时针流动(代表0)，要么逆时针流动(1)。更小的超导回路被称为“耦合器”(coupler)，它们连接量子比特，使其能够进行互动，甚至影响彼此在1和0之间的翻转。

这种精巧的结构，旨在让量子比特的布局对应一个算法，以解决某一特定的优化问题——传统处理器难以解决的很多任务的核心问题。它就像一家工厂里的专用机器，非常擅长于做一件事，使用的是一种特定原材料。在D-Wave处理器上进行运算，所需要的是数字形式的原材料，它会被输入到“硬编码”(hard-coded)算法中。操作方式则是把量子比特设置成1和0的布局，并微调耦合器，让量子比特进行互动。然后经过不到一秒钟的等待，量子比特稳定在一些新的值上，这意味着处理器处于较低的能量状态，问题的潜在解决方案已经得出。

在等待的那一瞬间中，处理器里发生了某种量子力学现象。量子比特进入一个奇怪的量子状态，在这种状态中，它们同时既是1又是0，就像薛定谔的猫，即是死的也是活的，而且量子比特锁定在一个奇怪的同步过程中，名为“量子纠缠”(entanglement)，爱因斯坦有一次曾说它“令人毛骨悚然”。正是“量子纠缠”，让这套量子比特系统可以在一瞬间中试探每一种可能的最终组合，然后获得一个最简单(或非常接近于最简单)的组合。

至少，D-Wave的科学家就是这么解释的。该公司芯片的内部到底发生了什么事，还存在着很多疑问。在D-Wave自己的物理学家、工程师和计算机科学家的脑海中，问题尤其多。杰里米·希尔顿(Jeremy Hilton)是D-Wave 负责处理器开发的副总裁，他说：“我们依据经验，而不仅仅是根据理论，建立了这个系统。”他和公司的其他工程师都不知道芯片里到底发生了什么，但只要每个芯片设计都为问题提供了答案，芯片内部发生的量子物理学现象包含了什么更精细的细节，可以等到回顾性验证时再说。

这种态度，对投资者来说似乎不成问题，但却仍然让学者们耿耿于怀。斯科特·阿伦森(Scott Aaronson)是麻省理工学院的教授，研究量子运算的局限性。他说：“在工程水平上，D-Wave的设置从很多方面来说都令人印象深刻，但他们说用量子力学解决问题的速度比你用传统方式快，我不认为有什么确凿证据。”在D-Wave公司 2007年演示后的多年中，阿伦森一直是一位激烈的批评者，但去年该公司在《自然》上发表的论文显示了量子效应后，阿伦森的立场软化了。“过去，D-Wave的营销声明和科学之间存在一条巨大的鸿沟，现在这条鸿沟缩小了，但还是有差距。”阿伦森说，他今年二月造访了D-Wave的实验室。“举证责任是在他们那里，但他们至今还没有满足这个要求。”

阿伦森最大的牢骚是，就算在没有量子效应的情况下，D-Wave系统的设计似乎也能解决问题，如果真是这样，它就会是一台很奇怪的传统计算机。他和其他批评者说，该公司仍然必须证明两件事，一是D-Wave的量子比特真的可以进入叠加态(superposition)，实现量子纠缠，二是跟传统计算机相比，D-Wave的芯片在解决同样的问题时，具有明显的“量子高速度”。到目前为止，该公司还没有在同行评审论坛上提供任何一个问题的证据。

罗斯说，D-Wave正在努力寻找量子纠缠的证据，此外，最近跟传统计算机进行比较的测试表明，D-Wave计算机在处理它所针对的问题时，速度遥遥领先于传统计算机。

阿伦森也说，D-Wave的处理器针对特定类型的问题进行了“硬编码”，这会限制它可能解决的问题的范围。此外，处理器上的量子比特数目相对较少，意味着它能处理的数据字长很短。阿伦森说，为了解决这些问题，需要使用数学方式把问题翻译成正确的形式，等D-Wave芯片给出答案时，再倒转这个过程，用数学方式把答案翻译出来，这些步骤可能导致速度明显变慢。罗斯则回应说，量子处理器的速度非常快，足以克服任何这样的缺点，他说工程师们正在寻找方法，以便自动转换普通程序代码的形式，使其符合D-Wave芯片的输入需求。

对投资者和技术公司来说，D-Wave能否说服阿伦森和其他怀疑者并不是太重要。因为在商业的很多领域，运算能力是保持竞争优势的关键因素，史蒂夫·尤尔韦松(Steve Jurvetson)是德丰杰公司(Draper Fisher Jurvetson)的合伙人，曾两次给D-Wave投资，他说在自己投资过的项目中，这是“最奇特的孤注一掷的技术”。尤尔韦松说：“有些时候，我们必须退回到使用‘经验法则’(rule of thumb)来解决问题，在任何这样的时候，你就可以应用这项技术。做短线交易，建立分子模型，开展电子商务，谷歌和微软这样的公司，都可以利用它。”尤尔韦松说，像洛克希德、亚马逊和大型制药公司这样的企业，最了解传统计算机的局限性，它们会首当其冲地采用这项技术，但如果你想设计一辆新的汽车，或是一家新的网店，你也能从这项技术中受益。

D-Wave的理念十分吸引人，但它也有一些说不清道不明的地方。一些公司和政府机构之所以愿意给D-Wave投资，还有另外一个原因，而且也许是一个更加迫切的原因。鲍勃·卢卡斯(Bob Lucas)说，在过去的几十年里，运算能力呈现了指数式增长，我们有理由相信，这种增长势态将会终结。卢卡斯在南加州大学负责指导超级计算和量子运算方面的工作，洛克希德公司的D-Wave计算机就安装在这里。运算能力出现规律性增长，一个主要原因是芯片上的连接线在逐年变细，但领先的芯片制造商英特尔目前正在开发14纳米工艺，再大幅提升这一工艺不太可能。卢卡斯说：“过去的10年中，传统运算能力呈现了指数增长，以后，它的替代品将更加令人感兴趣，”他也补充说，在洛克希德公司的D-Wave系统上做过实验之后，他对这项技术的态度已经从“高度怀疑”转变成了“谨慎乐观”。