腾讯用户开放日腾讯量子实验室揭秘量子计算

2019年05月15日 来源:

用音乐降妖除魔、和AI机器人来一场冰球大战、亲身感受山区学生上学的艰辛之路12月8日举行的腾讯用户开放日(T-Day)为观众们带来了一次科技互动体验大展。除了有趣的科技体验,腾讯的大牛工程师们还准备了干货满满的分享,为观众揭秘和演示前沿的互联科技。

来自腾讯量子实验室的高级研究员郑一聪来到T-Day现场,将前沿的量子计算技术带到了普通观众眼前,并分享了腾讯在量子计算方面的前沿探索和愿景。他表示,虽然量子计算技术目前处于起步阶段,一旦付诸实践将对新材料、新药物开发,人工智能,尤其是深度学习领域,产生颠覆性的变革。腾讯量子实验室正致力于寻觅新的、有趣的、具有实际运用价值的问题,并将量子技术运用到实际中去。

(图:腾讯量子实验室高级研究员郑一聪)

经典计算机遭遇瓶颈 量子技术以毒攻毒

自1946年台电子计算机诞生,计算机在如今的社会生活中已无处不在。但是,基于冯诺依曼结构的经典计算机是存在算力极限的。近年来,功耗墙、通信墙等一系列问题逐渐出现,摩尔定律关于集成电路上元器件数量每18个月就会增加一倍的预言也开始失效,芯片性能的增长开始放缓,经典计算机的性能增长愈来愈困难,增长速度也大不如前。

在这种情形下,探索全新物理原理的高性能计算技术的需求应运而生。思想实验薛定谔的猫将微观领域的量子行为推演到宏观世界,认为放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加,因此猫也处于死猫和活猫的叠加状态。

目前高性能计算机的研究也正在摹拟这种微观世界的叠加状态,但是需要的计算量是极为庞大,郑一聪在演讲中提到,我们得研究微观世界的量子是如何工作的,然后以毒攻毒,建造一个依照量子力学的规律来运行的计算机,才能模拟它。

研究量子计算机的意义重大。经典比特或是0态或是1态,而量子比特因为具有叠加和纠缠的特性,除了处于0态或1态外,还可处于两者的叠加态。因此,当普通计算机中的2位寄存器在某一时间仅能存储4个二进制数(00、01、10、11)中的1个时,量子计算机中的2位量子位寄存器可同时存储这4种状态的叠加状态。而随着量子比特数目的增加,量子计算机有可能可以展现出比传统计算机更快的处理速度。

例如,考虑一台占地720平方米、功率24MW、性能33.86 PFLOPS的超级计算机,将这种计算机满满铺满德国和荷兰,根据估算需要耗费100 年、106 万亿人民币、107 万亿瓦,并在一个月内消耗完地球上所有能源,才能对一个2048位的大数进行分解。而1台2000位的超导量子计算机分解这样的大数只需要约26小时。

腾讯发力前沿技术 探索有价值的落地场景

近几年,全球科技公司和研究机构都在延续探索量子计算的实际运用。表面上看,量子计算与大多数行业并不直接相关,且暂无成功的大范围落地应用。但量子计算一旦获得重大突破,在目前众多的前沿领域,尤其是材料、药物开发,人工智能的深度学习领域,将取得从底部硬件架构到算法模型的颠覆性变革。因此,几乎行业里的每个人都保持对量子力学的延续关注。

腾讯固然也不例外。2017年初,牛津大学量子计算博士葛凌教授以腾讯欧洲首席代表身份加入腾讯。而在去年年底,腾讯筹划已久的量子实验室暴光,香港中文大学教授张胜誉担任负责人。这些重量级专家工程师的加入无不彰显着腾讯在量子技术探索的决心。

在量子科技的运用方面,腾讯已经在摸着石头过河成功建设完成量子安全平台,该平台利用量子不可克隆、量子测不准、量子态不可辨别的特点,对通信进行加密。窃听者一旦对量子进行丈量将改变量子状态,而状态的改变将致使通信双方发现通道被窃听。

量子安全通讯平台的研发存在着很高门坎。腾讯采取优化的光通信波段配置和手术刀级别的信号处理设计,特殊定制的光传输装备,保证经典数据通信和量子密钥分发合二为一,实现了承载数百Gbps带宽的经典光通信和量子密钥分发的共纤混传。

目前,平台虽然尚未取得普惠运用,但已在微众银行的端到端通信服务中得到尝试。微众银行依托量子保密通信平台,对其业务数据进行远距离传输,保障了数据的不可破解和密钥传递进程中的不可盗取或篡改。

除了通信加密方面的应用,腾讯量子实验室还将眼光投向了量子计算的研究,包括量子算法,量子人工智能,量子化学等。

根据波士顿咨询(BCG)发布的行业报告,量子计算机在接下来的25年内还将经历三个阶段的发展才能走向技术成熟。2028年前,工程师研发出可用于低复杂程度的量子摹拟问题的非通用量子计算机。到2039年,逻辑量子比特数量扩展到50多个,并实现量子霸权。2031年到2042年,量子计算机将在摹拟、搜索和运算中执行高级功能,实现各类商业运用的终落地。

关键环节的突破将为量子计算机的发展增添动力。而量子计算机一旦得以大规模使用,量子软件和量子算法也将收获革命性变化。新的量子编程框架将为程序员提供更简单、直观、易用的编程语言,人工智能算法也将获得全新思路。

郑一聪也在T-Day上展望了量子计算机的未来,他表示,理论上量子计算在某些应用上带来的算力提升在某些情况下是近乎无穷大的。如果将这个算力运用到天气预报、金融模型、密码演算等领域,加上全新视角的人工智能算法,必将对技术进步产生颠覆性的影响。而随着硬件不断发展,新机会不断出现,现在看来难以想象的运用极可能会在未来成为可能。

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