量子霸权争夺战

从这一讲开始，我们就进入第四季度课程的讲解了，第四季度，我们要讲硬科技，讲讲未来几年里有可能会产生重大突破的科技领域，第一个话题是“下一代计算”。

相信你或多或少已经听说过“量子计算”这个名词了。

可以说，他们都在争夺“量子霸权”。

所谓量子比特，英文叫 Qubit，它是量子信息的计量单位。我们都知道，传统的计算机都是使用二进制的，一个比特就是0或者1，而量子比特也是使用二进制，但它特别就特别在一个量子比特可以同时是0和1，这就叫量子叠加，英文是 Superposition，所以两个量子比特，就可以同时表示00、01、10、11这四个值了。

而所谓的“量子霸权”，英文叫 Quantum Supremacy，这是在2011年的时候，美国加州理工大学的理论物理学家 John Preskill 提出的。

意思就是：

那么， 谁夺取了“量子霸权”，谁就掌握了技术制高点，从而就获得了量子计算机的标准制定权和舆论主导权，在产业竞争中就优先占据了有利的地位。 

这个产业地位到底有多重要呢？

你想一想 Intel 在 PC 产业中的霸主地位，就知道这样的产业制高点有多么重要了，这也是 IT 巨头们争相研究并公布量子计算机进展的根本原因。

相信你肯定也很好奇，量子比特听起来好像也没啥，还是二进制啊？但怎么就是技术制高点呢？它和咱们现在用的电脑有啥区别呢？还有新闻说它会很快颠覆传统计算机，这是真的吗？

这里要强调一下，咱们一定要明确的是， 传统计算机的架构还是会存在很长时间的 。

因为量子计算机只是下一代计算的研发方向之一，其他创新性的计算机也一直在探索中，其中比较受人瞩目的还包括了光子计算机、生物 DNA 计算机等等。这些内容我们放在第四讲里详细说。

我相信你心里肯定会问，我们现在的计算机遇到什么问题了吗？为啥这么多巨头要大力研发下一代计算呢？

要说最根本的原因，其实就是， 基于大规模集成电路的经典计算机芯片发展存在物理极限，计算速度的进步就快要跟不上“摩尔定律”的要求了。 

我们都熟悉摩尔定律，它是1965年由 Intel 的创始人之一的戈登·摩尔观察并总结出来的，意思是说集成电路的晶体管密度每18个月就会翻一番，计算能力也会翻一番，这个规律曾经适用了几十年。

但这种“堆积”晶体管的做法，终将会面临一个无法跨越的物理极限，那就是再缩小也无法突破原子大小的尺度。

而且实际上，人们也一直在尝试用各种方法提高计算速度和处理效率。除了增加晶体管密度以外，还有并行计算和异构计算这两种方法。

1.  并行化计算 

首先是并行计算，它的核心就是“分而治之”的思想，利用多核处理器的架构，把复杂的计算任务分解到多个处理器或计算机上处理，增加效率。 

为了能够提高处理复杂问题的计算效率，比如核物理模拟、化学反应模拟、气候预测、基因工程这些难以做实验的难题，就出现了超级计算机，比如咱们国家的神威·太湖之光，就用了4万多块处理器，占地600多平方米。

但是， 并行计算的方法也有局限性，就是对于容易分解、有良好并行算法的问题很有优势，但对本身就难以分解的问题，即便是超级计算机也无能为力。 

就拿大数分解这个问题来说，这个问题就是无法用并行计算解决的。

那什么是大数分解呢？

举个例子，比如15这个两位数，背过乘法口诀的我们就知道，1乘15、3乘5，结果都是15，1和15，3和5，就是15的分解因子。

假如现在有一个200位的大数，而且不是素数，也就是分解因子不是只有1和它本身，它的分解因子会有多少个呢？

就是这个问题，假如使用穷举法，就是一个个去试，即便是神威·太湖之光，得到所有分解因子也要用超过1000年。

经典计算机没有高效的算法解决大数分解问题，基于这个原理，1977年，Ron Rivest、Adi Shamirh 和 LenAdleman 三个人在 MIT 开发出了著名的 RSA 加密算法，成了信息安全和密码学的基础。

顺便说一句，也是包括比特币在内的电子货币的基础。

2.  异构计算 

其次，就是异构计算了，其实它也是一种并行计算，我们都知道，计算都是在芯片的集成电路中完成的，但是因为芯片架构的不同，不同芯片处理不同计算的性能也不一样，比如 CPU 要处理更多的任务，需要通用性，而 GPU 就是更多针对图形处理，还有协处理器、DSP 等其他计算单元，把它们组合到一起，就叫“异构计算”。

这样的好处就是，可以持续利用现有计算架构，只需要增加那些新的硬件，就能持续提高计算能力。

举个例子：

实际上人工智能芯片就属于异构计算的一种，比如咱们中国的寒武纪就是这个领域的高水平代表。

你肯定知道华为的“人工智能芯片”麒麟970，其实里面就集成了寒武纪的神经网络芯片“寒武纪1A”，就是它让麒麟970在照片识别、音频理解等计算能力上比传统手机芯片性能提高了近百倍。

2018年5月3号，寒武纪还发布了云端智能芯片 MLU100，宣布开始进军用于服务器上的高端芯片了。关于寒武纪的内容，我会在第二讲里仔细说。

这里要多说一句，在人工智能芯片领域，中国起步基本与国际水平同步，水平也很高，涌现出了寒武纪、地平线这样的科技公司，这都很值得我们期待。

不过， 异构计算还是并行计算的一种，所以并行计算解决不了的问题，异构计算也解决不了。 

除了持续优化现有的计算机架构以外，人们还从基础架构的角度，一直在探索其他类型的计算机，量子计算机就是其中之一。

量子计算机这个概念，是1981年的时候，美国 Argonne 国家实验室的物理学家 Paul Benioff 提出来的，到了1994年，应用数学家彼得·舒尔提出了名叫 Shor 的算法，这就是一种针对整数求分解因子的量子算法，但直到2001年，IBM 和斯坦福大学才在一个7个量子比特的量子计算机上首次实现了 Shor 算法，成功地把15分解成了3和5，这就是刚才我们说大数分解的那个例子。

就是这么一个看似不起眼的成果，对于量子计算机的发展却意义深远，为什么这么说呢？

还是我们刚才讲到的 RSA 密码，它是现代密码学的基础，它就是基于大数分解的计算复杂度设计出来的，目的就是让计算机无法破解。

但是当 Shor 算法在量子计算机上运行的时候，就会极大地简化这个问题，具体的细节，感兴趣的话你可以去搜搜看，总之，量子计算机可以缩短找到大数分解因子的时间，从而破解密码。

因此， 量子计算机的出现，会给整个信息安全领域带来巨大隐患。 

然而实际上，从产品上来说，量子计算机目前基本上不是样机就是测试芯片，要想真正实现还任重道远。

总体来说，在量子计算领域，基础研究都是 IT 巨头们在主导，其中中国的进步很快，中科大等知名高校都出现了一批世界级的专业量子计算研究团队，百度和阿里巴巴也都建立了自己的量子计算实验室。

从原理上说，其实量子计算机有个致命弱点，就是由于量子的叠加和纠缠状态，所以它是极其脆弱的。 

所谓量子纠缠，是一种量子力学现象，是粒子在由两个或两个以上粒子组成的系统中相互影响的现象，它的状态是非常不稳定的。所以，量子计算机通常只能在接近绝对零度，也就是零下273摄氏度的状态下才能保证量子状态，正常运行。

可以说， 由于量子计算机的研究还面临着无法预估的困难，最终我们是否一定会得到一个通用而且可持久运行的量子计算机，目前还是个未知数。 

而且，我们还要注意到，下一代计算的光子计算机具有环境简单、不需散热、速度快等优势，可能更易发展。在第三讲中，我将为你介绍量子计算机商业化的开创者，D-Wave 公司，以及，量子计算行业的商业化情况。

这一讲我们讲解了量子计算的概念，还介绍了两种提高传统计算机性能的方法。希望你能掌握以下三点：

第一，基于摩尔定律的传统经典计算机发展面临物理极限。为了未来继续提高计算性能，除了增加晶体管密度以外，还有并行化计算和异构计算方法，以及量子、光子和 DNA 计算机方面的探索。

第二，人工智能芯片属于一种异构计算，是目前各大公司关注和争夺的焦点。中国出现了像寒武纪这种类型的科技公司，不仅在手机拍照场景中得到了应用，而且也开始进军用于服务器上的高端芯片，这令人欣喜。

第三，量子计算机还不够成熟，面临着很多不确定性，距离真正实用化的道路还很长。而IT巨头们纷纷参与，背后的驱动力是希望夺取“量子霸权”。此外，下一代计算中的其他方向也值得我们关注。