量子跃迁,可编程量子计算机图像识别准确率90%

来源:新智元

量子计算机解决图像识别问题

据 Science 的报道,加州圣玛丽学院的研究者使用一台 D-Wave 2X 量子计算机,成功训练其识别树木,识别的准确率达 90%。这似乎不是特别厉害的事情,但这个结果意味着研究人员距离使用量子计算机解决复杂的机器学习问题(如模式识别和计算机视觉)更近了一步。

传统的计算机已经可以利用复杂的算法来识别图像中存在的模式,但是需要大量的内存和处理器耗能。这是因为传统计算机以二进制位(0或1)存储信息,相反,量子计算机在亚原子级运行,使用可以同时表示0或1的量子比特(或量子位元)。理论上,使用量子位元的处理器可以针对一系列特殊的问题,比传统计算机快上指数级地解决问题。但量子计算的特性以及编程量子位元的局限性使得直到现在,例如计算机视觉等复杂问题难以解决。

图:加利福尼亚州卫星照片(上);绿色的部分是D-Wave识别为树木的区域(下)

虽然这项研究的结果只比传统计算机针对同样问题的结果稍微准确一点,但这个结果表明科学家可以编程量子计算机来“看到”和分析图像,并有可能使用它们来解决需要繁重数据处理的其他复杂问题。例如,这项研究为更准确的气候预测奠定了基础,量子处理器可以采用机器学习的方法来预测气候在几个星期、几个月甚至几年期间的变化模式。

有关量子计算的研究和讨论正在受到越来越多的关注,本周《经济学人》(The Economist)杂志以《量子跃迁》(Quantum Leap)为封面报道,讨论了量子技术的新发展和新希望。

量子跃迁

一顶可以观察到个体神经元的浴帽,能让其他人监视佩戴者头脑的想法;一种能够发现潜入海里的核动力潜艇的传感器;一台能够发现新药物、改革证券交易,或者设计出新材料的计算机;一个安全性由牢不可破的物理规则承保的全球通信链路网络。这些,以及更多,都是量子技术带来的希望。

所有这些应用的潜力都来自科学家对单个原子和光子的处理能力的提高。今天的计算机芯片越来越便宜,速度越来越快,体积越来越小,但量子技术认为,在足够小的规模,粒子穿过固体,在芯片内部造成短路。量子技术的问题来源于另一个方向。量子技术不是将设备变小,而是利用单个原子个粒子的不寻常行为,并将其放大。与从前的计算机化一样,这开启了另一个充满可能性的世界,在几乎所有现有行业都能应用到,并且有可能带来全新的行业。

量子技术的应用

量子力学是在20世纪初兴起的有关原子层面行为的理论,其怪异广为人知。这是因为世界不像人类所认为的那样运转。量子力学取代了整个的有几百年历史的机械的概念,处理概率而不是确定性的宿命论的宇宙,其中衡量的行为本身影响被衡量之物。伴随着这场激变有一些真正离奇古怪的影响,例如例子本质上既不在这里也不在那里,而是在被固定之前,既在这里也在那里:它们处于这里-那里的“叠加”。这一理论还认为,例子可以是诡异地连系着的:对某个粒子做某个行为,造成的变化立即被另一个感觉到,哪怕这两者之间隔着非常远的距离。这种“纠缠”甚至令该理论的创立者感到困惑。

正是这些影响现在显示出这样的希望:为了对量子的世界有更多了解而精心设计的技术现在正被导向好的应用。利用叠加态和量子纠缠的小发明可以大大优于现有的产品,做成以前被认为是不可能的事情。

例如,通过并入纠缠来改进原子钟,使他们比当前在卫星定位中使用的更准确。这可以提高导航精度的数量级,使得自动驾驶汽车更安全、更可靠。由于局部引力场的强度影响时间的流动(根据广义相对论),这样的钟能够测量重力的细微变化。这可以应用于发现地下的管道,而不必把道路挖掘开,或用于跟踪深海的潜艇。

量子理论的其他应用还有在信息传递时不必担心被窃听。使用叠加态或纠缠的粒子编码的信号不能被截取、复制和传递。这显然对全世界的企业和政府具有无比的吸引力。中国已经发射了一个可以接收并重路由这种信号的卫星,将来最终可能形成一个全球性、无法攻击的网络。

量子效应之间相互作用的益处在量子计算机中达到顶点。不像标准计算机中的 0 和 1,量子计算机的位元是两者的叠加态,每个“量子位”彼此纠缠。使用以量子形式表示的问题的算法,这样的计算机能够通过远超当前最厉害的超级计算机的计算咬出一条通道。高安全性的量子网络正在开发,相抵消的忧虑是量子计算机最终替代基于数学问题的现在的加密技术。

不过,在此之前,小型的量子计算机将能在能源、物流、药物设计,以及金融等行业有其他应用。即使简单的量子计算机也应该能够解决传统计算机很难解决的一些问题,例如优化交易策略、从科学文献中挑选有前景的药物候选等。谷歌上周发表在 Nature 上的文章表示,这样的机器五年内能实现商业应用。本周,IBM 已启动一个可以公开访问的初级量子计算机,并宣布扩大该计划。大型的科技公司以及初创公司都在开发软件,以利用这些设备的能力。一个匹配新的硬件和可能受益的行业的新的中间人生态系统正在形成。

这样的景象与20世纪90年代初的互联网有很多相似之处:一个基本上是以实验室为基础的领域,已经让科学家们付出了几十年的研究,但也是一个开始显现出更广泛潜力的领域。蓝筹股的企业正在购买它,或者正在自己进行研究。初创公司也正在增加。政府正对它进行“战略性”投资,它们已经为基础研究付出了许多年,提醒人们有些领域,例如“蓝天科学”(blue-sky science),不能仅靠市场提供。

幸运的是,对于量子技术专家来说,余下的挑战大多在于工程技术,而不在于科学技术。今天的利用量子增强的小发明只是一个开始。量子技术最令人兴奋的是它尚未开发的潜力。任何变革性技术的前沿专家都有过预言错其技术的用途的时候,例如爱迪生曾认为他发明的留声机将用于教学讲课。在整个20世纪的大部分时间里,“量子”在大众意识中只意味着“奇怪”。在21世纪,它将意味着“更好”。

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