IBM預期AI普及化 量子+AI醞釀完美風暴

Dario Gil
IBM研究所負責AI及量子運算的副總裁 Dario Gil:今年量子運算會與AI合流,而AI應用會普及化。

去年,人工智慧(AI)高速發展,引起國際不少關注。另外量子技術(Quantum Technology),特別是量子運算,已進入最後一里的衝刺,各國也相繼投入更多資源。

據IBM研究所負責AI及量子運算的副總裁 Dario Gil,上周發表博客文章,預測隨著各國加快在量子運算研究,預計量子運算可開始應用AI領域。近期歐洲運用量子運算在AI取得突破,推出全球首個量子電腦上的神經網絡。

美國總統特朗普剛簽訂法令,美國聯邦政府會撥款12億美元,透過《國家量子倡議法案》(National Quantum Initiative Act),為期5年資助國內的量子資訊研究。從量子物理學原理驅動的量子運算,可提供比傳統超級電腦快上萬倍運算能力,有機會在多個研究領域帶來突破。

中國和歐洲皆大力投資量子運算;美國必須確保有關領域上保持優勢。

量子運算+AI

去年,歐盟也支持一項總投資額達10億歐羅的「量子技術旗艦計畫」(Quantum Technology Flagship),計畫為期10年;資助量子各個領域研究。

據Gil估計,踏入2019年,AI會從「狹窄」應用,即以機器學習及網絡保安等簡單的應用,作不同預測,進化至「普及化」AI應用;即是開發人員、企業、消費者,皆可直接從不同AI應用獲益。

量子演算法的核心,是從可控制的量子手糾纏及干擾,實現以來自疊加和複雜振幅;再以振幅產生的超大型的量子空間,通過演算法以助提供快速的AI算力。

Gil的觀點,也跟清華大學的姚期智教授,不謀而合。去年的11月,微軟亞洲研究院舉辦2018年的「二十一世紀的計算」研討會中,姚期智教授就以「崛起中的量子計算」作主旨演講。他從量子計算歷史和概念入手,解釋量子電腦研究進展。他表示,生產量子處理器的技術,已一一逐漸浮出了水面;其中有幾個選項的潛力較大;包括了超導量子比特、離子比特、鑽石量子比特、拓撲量子比特。未來,「量子運算+AI」將成時代主題,二者結合綻放新的火花。

姚期智
中國圖靈獎得主,清華大學交叉資訊研究院姚期智教授在2018年「二十一世紀的計算」研討會上演講:「量子計算+AI」將成為新時代主題。圖片來源:微軟亞洲研究院

上月,微軟推出了Azure上的量子運算程式開發套件「Quantum Development Kit 」預覽版,包括了專為量子運算而開發Q#程式設計語言、量子計算模擬器,以及幫助開發量子程式開發的各種資源;並深度整合到Visual Studio開發套件,以高階語言開發量子運算。

微軟也公佈在其開發量子電腦,成功以被稱為「馬約拉納費米子」(Majorana Fermion)天使粒子,減少了量子糾纏因受外來干擾的錯誤率,預計5年後可進入商用階段。

https://www.it-square.hk/archives/6179

不少人預期量子運算的早期,主要應用於化學分析,以模擬物質分子和化學反應,以推動開發新的材料、藥物或工業催化劑;甚至令高溫超導體可更早出現,解決能源遠程傳輸。而利用量子的模擬器(Quantum simulation),可以量子模擬自然界各種量子系統,相對於量子電腦而言,就不需完全控制每一個量子位元,更容易實現於應用上,以直接暸解複雜化學反應;研發出新的材料。

量子神經網絡

但量子物理定律也允許同時出現多狀態,面對複雜問題時,量子電腦有比傳統電腦更快解決問題能力。去年,IBM以IBM Q量子電腦證實了上述論點,顯示量子運算解決實際問題,不再是空中樓閣。

最近,義大利Pavia大學研究人員Francesco Tacchino領導的小組,竟利用IBM Q開發出首個AI單層人工神經網絡(Artificial neural network,ANN)),並在ArXiv期刊上發表了相關論文。Pavia大學研究被公認為AI在量子電腦上執行的突破。

Gil表示,全球已經有數以千計機構,透過IBM量子運算雲服務接觸量子運算,最終有可望改變如何執行AI運算。較早前,IBM與麻省理工亦在網上的MIT x PRO課程,開設一門量子電腦課程,以IBM Q和開發套件Qiskit,解釋量子運算各種原則。

目前,全球AI大規模運算,主要依託GPU或者FPGA來提供。去年底,英特爾全球最大的FPGA創新中心,落戶在中國重慶市。英特爾期望FPGA可打破GPU,尤其Nvidia在AI算力地位。

歐洲領先量子研究

不少歐洲大學皆有研究量子技術的深厚傳統。全球最先進高能物理的歐洲核子研究組織CERN屬下的CERN openlab,去年11月,就在瑞士舉行高能物理的量子運算工作坊,探討量子運算應用在日內瓦「大型強子對撞機」(Large Hadron Collider)的研究工作。

歐盟的「量子技術旗艦計畫」,並不限於量子運算,未來會投資一億三千二百萬歐羅在20研究項目上,涉及4大領域;除了上述的量子運算和量子模擬器,還包括了量子通訊(Quantum communication)和量子度量和傳感(Quantum metrology and sensing)。

量子通訊牢不可破

量子通訊是對稱式的加密技術,但被比現時通用的比非對稱加密,或者稱為公開金鑰加密(Public-key cryptography)更安全。不過公開金鑰加密的密鑰不管多長,仍有被破解幾風險。

量子通信就解決了這個問題,從理論和實踐上量子通信都證明瞭不可破解。原理是通訊雙方各自測量量子,基於量子力學的特性,只要雙方用上相同測量方式,就可得悉對方所獲得結果。量子糾纏的實驗,經量子糾纏的兩個粒子,測量出來的特性,必然會相反。

建立通訊的雙方,只要告知對方本身測量的方式,就能夠得到一些僅得兩方才能知道的訊息。只要雙方知道在哪些量子以相同方式測量,就可按協定方式來產生密鑰;假如中間有人想偷取訊息,竊聽者必須測量雙方交換密鑰時所用的全部量子。問題在量子力學的定律,一旦測量就影響了量子狀態,竊聽者馬上就會現身。

量子度量和傳感則透過量子疊加態及量子糾纏態,可感測到極之敏感的環境變化,可用於開發精確和靈敏的感測器,例如勘測地質及太空領域的重力感應。我們日常的GPS全球定位系統,就正是透過衛星上計時精確的原子鐘(Atom Clock),透過太空的微重力環境,透過原子團做超慢速勻速直線運動,測量這種運動可獲得較地面上更精密的原子譜線資訊,從而獲得超高精度原子鐘信號,才能計算出地面上精確位置。所以,量子傳感已經應用到日常生活。

量子運算也可發展出「量子遙傳」(Quantum teleportation),又稱隱形傳輸、量子隱形傳送、量子隱形傳態,是一種利用量子纏結,以傳送量子態至任意距離的技術。量子遙傳並不會傳送任何物質或能量,但在量子通訊與量子運算上,則相當有用。

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