瀚海狼山:九章的算力，憑什么出神入化？ |2020-12-06
成功構建76個光子的量子計算原型機“九章”，求解數學算法高斯玻色取樣只需要200秒，而當今全球最快的超算需要6億年。瀚海狼山（匈奴狼山）原來也不相信當代的超級計算機性能有多強大，但前年的一個真實事件之后就不再懷疑。這就是當年夏季有個臺風過境狼山住所附近，而且提前至少4到5天，預報了臺風中心的路徑會在附近50公里外近乎靜止的小范圍徘徊36小時左右，這本身是非常罕見的。因為對北方來說，臺風直接過境的概率本身不高。而且還在北方某地徘徊超過一整天加一整夜，這怎么可能？誰能想到3到4天之后，這個臺風的中心真的就基本嚴格按照提前公布的臺風過境路徑北上，偏差居然不超過5公里！而且就真的在50公里外旋轉了1整天再加1夜沒怎么動，最終又按照預測的路徑向東北方而去！
這預報的準確性真讓人心服口服。之所以如此強大，就是因為有超級計算機幫忙來做預報。現在的超算幾乎無所不能，從核爆炸模擬，到飛機設計，高鐵運行，再到日常生活中的各種大數據和移動支付，如果離開了超級電子計算機，肯定都是寸步難行。超算的運算速度本身已經超過了大多數人的想象，而現在居然說全球最強超算需要6億年才解開的問題，量子計算原型機只需要3分鐘稍多就破解。感覺這已經不是嚴肅的數學或者物理而是神話傳說。但是量子計算原型機就是這么強大，這是客觀存在的事實。量子計算憑什么這么強？狼山也僅僅理解一點皮毛，這里就講講這個皮毛。全部用比喻說明，如果和專用術語有很大的差別甚至是差錯，也僅僅作為一種幫助理解的工具，畢竟過于深入的專題實在是太難懂了。
首先說何為高斯玻色取樣。為何要讓當今最強的超算解6億年？單純什么是高斯玻色取樣也不容易說清楚。用一個容易理解的比喻說，就是如果一個人進入一個假設的大樓里，他進入大堂后發現里面有兩扇門，一個人只能選擇進其中的一扇。這種選擇是任意的。這個人打開一扇門進去后，發現里面還是兩扇門。再打開后還是2扇門。這個人假設如此打開這種門高達70層，他最后進入了一個辦公室。而進入這個大樓的人實際上不止一個，后面還有成千上萬甚至上百億的人都如此操作。最終的求解問題是：每個辦公室里有多少人？他們都是誰？這個問題看似不復雜，其實認真想想計算量非常嚇人。因為每個人都有2的70次方的選擇可能，而且還是成百億人對2的70次方選擇不同，實際結果就是一個超級天文數字。難怪當今全球的最強超算都要算6億年才最終有結果。那么為何量子計算原型機算出結果只用200秒呢，這就是在于量子計算的原始方法和電子計算機有本質的不同。
再舉個例子，用超算來算一個玻璃杯，從多少厘米的高度掉到水泥地上會立即破裂？這個問題看似也很簡單，但是用超算來算同樣是天文難度。玻璃杯破裂，說到底是組成玻璃杯的原子之間出現了不可挽回的巨大裂縫。超算需要對玻璃杯內部的幾億億億個原子每個單獨取樣建模。然后計算如此多的原子在受到沖擊后的連接度，要算出一個最終的結果可能也需要幾億年。但是現實中只要智力正常的人，都可以用兩三分鐘就能得到答案。這就是拿一個真實的玻璃杯，在水泥地上從低往高不斷的做撒手試驗，如果一次兩次玻璃杯沒碎了。到了一定高度肯定會碎。記錄這個首次破碎的高度就可以獲得超算幾億年算不出來的結果。說到底，這就是把自然規律當做天然的計算機。來獲得快速有效的“計算”結果。量子計算的性能超強，基本原理大致如此。
當代的所有電子計算工具都是二進制的，也就是只有1和0，用高電平和低電平來物理表示。這有利于快速運算、防干擾和防差錯。不過這里面有一個先天缺陷，就是自然萬物的發展和變化是連續的。而電子計算機實際上是固定取樣后再計算。雖然可以通過海量的取樣來盡量的符合事物本身的發展變化，但是取樣總量是有上限的。因此面對超級巨大的運算量。再強的超算也會傻眼。而量子計算就屬于人為創造光量子，76個光量子就等于2的76次方的變化。而且是牽一發而動全身。等于近乎用摔杯測試這種自然規律來計算問題。計算速度就出神入化了。不過現在的量子計算只能算一些特定的問題。還不能像成熟的超算一樣算的范圍極廣。不過想想1946年，全球第一臺電子計算機剛剛發明時，每算一個新程式都要去臨時改焊電子管。因此預計量子計算成熟起來大規模被運用，并不需要再過一個74年。另外這次的厲害之處，還在于一次性制造了76個光量子，比某歌的實驗快了100億倍。與這次的速度相比，對方只能算手打算盤。
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