量子計(jì)算可能成為一項(xiàng)顛覆性技術(shù)：它建立在聽(tīng)起來(lái)非常奇特的物理學(xué)基礎(chǔ)上，并有望以前所未有的速度和效率解決某些類(lèi)別的問(wèn)題。一些人認(rèn)為，目前在量子計(jì)算領(lǐng)域的承諾太多，交付卻不夠，而D-Wave是一個(gè)例外。

這家開(kāi)拓量子計(jì)算領(lǐng)域15年的高科技公司，如今擁有著巴斯夫、德勤、萬(wàn)事達(dá)卡和葛蘭素史克等大公司優(yōu)質(zhì)客戶。Alan Baratz從負(fù)責(zé)D-Wave的研發(fā)到成為其CEO，不斷推出新產(chǎn)品和追求新研究方向，一步步帶領(lǐng)公司成功上市。

在此次專(zhuān)訪中，Baratz談到了量子計(jì)算的基本原理、量子計(jì)算與市場(chǎng)現(xiàn)狀、現(xiàn)實(shí)世界客戶和案例的關(guān)系，以及這個(gè)領(lǐng)域的未來(lái)。

量子計(jì)算的炒作與現(xiàn)實(shí)

Baratz擁有多元化的工作背景，包括在Avia和思科負(fù)責(zé)產(chǎn)品管理、擔(dān)任初創(chuàng)公司CEO、以及在風(fēng)險(xiǎn)投資行業(yè)工作等。然而，他認(rèn)為與在D-Wave所做的工作最接近的是，他曾是Sun Microsystems的第一任Java soft總裁。

在Java soft，Baratz負(fù)責(zé)將Java技術(shù)推向市場(chǎng)，構(gòu)建開(kāi)發(fā)人員生態(tài)系統(tǒng)并增加收入。他在那里所做的很多事情與D-Wave現(xiàn)在正在做的事情相似：創(chuàng)建一個(gè)新的行業(yè)并構(gòu)建一個(gè)新的生態(tài)系統(tǒng)。

當(dāng)然，有一些根本的區(qū)別。Java從問(wèn)世的第一天開(kāi)始就可以工作，雖然并不完美，但它是建立在現(xiàn)有IT基礎(chǔ)設(shè)施之上的。從那時(shí)起，該技術(shù)逐漸發(fā)展成熟并征服了軟件開(kāi)發(fā)世界。值得注意的是，Java基本沒(méi)有技術(shù)鴻溝，盡管在某些時(shí)候可能?chē)@它有過(guò)一些炒作和爭(zhēng)議，但長(zhǎng)期來(lái)看它一直是一項(xiàng)得到過(guò)驗(yàn)證的技術(shù)。

而量子計(jì)算是一個(gè)全新的概念，需要多年的研發(fā)才能發(fā)展起來(lái)，目前還無(wú)法直接面對(duì)軟件開(kāi)發(fā)人員。Baratz解釋說(shuō)，量子計(jì)算存在著基本的技術(shù)鴻溝，這就是D-Wave在市場(chǎng)上的“炒作”根源。

根據(jù)麥肯錫的說(shuō)法，量子計(jì)算的現(xiàn)階段介于“炒作”和革命之間。根據(jù)美國(guó)銀行研究部總經(jīng)理Haim Israel的說(shuō)法，量子計(jì)算的風(fēng)潮“比火還熱”。據(jù)量子計(jì)算專(zhuān)家Sankar Das Sarma稱(chēng)，盡管量子初創(chuàng)公司風(fēng)靡一時(shí)，但尚不清楚它們是否能在不久的將來(lái)產(chǎn)生任何有用的東西。

Baratz的立場(chǎng)似乎介于上述兩者之間，在當(dāng)今和未來(lái)的量子計(jì)算應(yīng)用之間，以及D-Wave和競(jìng)爭(zhēng)者之間劃清界限。

“雖然量子行業(yè)的其他所有人都將政府研究資助視為收入，將國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)視為客戶，但我們合作的是萬(wàn)事達(dá)卡、貝寶、葛蘭素史克、強(qiáng)生、大眾、巴斯夫、德勤、SavantX等大商業(yè)公司和洛杉磯港口?！盉aratz說(shuō)。

量子計(jì)算的歷史和基礎(chǔ)

Baratz劃定的D-Wave和競(jìng)爭(zhēng)者之間的分界線在于構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的不同方式：量子退火和門(mén)模型。Baratz解釋道，當(dāng)D-Wave在15多年前著手構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的任務(wù)時(shí)，人們卻認(rèn)為門(mén)模型系統(tǒng)可以解決所有問(wèn)題。另一方面，量子退火只能解決某些類(lèi)別的問(wèn)題。

目前已知量子計(jì)算機(jī)在四類(lèi)問(wèn)題中提供加速優(yōu)勢(shì)：優(yōu)化、線性代數(shù)、因式分解和微分方程。Baratz提供了每種應(yīng)用的示例：線性代數(shù)的機(jī)器學(xué)習(xí)、因式分解和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的密碼學(xué)以及微分方程的量子化學(xué)。

優(yōu)化問(wèn)題在物理學(xué)、生物學(xué)、工程學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)和商業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。Baratz指出，退火型量子計(jì)算機(jī)非常擅長(zhǎng)優(yōu)化問(wèn)題。它們還可以解決線性代數(shù)和因式分解問(wèn)題，但不能解決微分方程問(wèn)題。

Baratz解釋說(shuō)，當(dāng)D-Wave開(kāi)始構(gòu)建其量子計(jì)算機(jī)時(shí)，科學(xué)和工程還沒(méi)有發(fā)展到人們認(rèn)為可以構(gòu)建門(mén)模型系統(tǒng)的程度。他補(bǔ)充說(shuō)，當(dāng)時(shí)人們普遍認(rèn)為可以建造一臺(tái)量子退火計(jì)算機(jī)。所以D-Wave決定繼續(xù)構(gòu)建退火系統(tǒng)，因?yàn)樗麄兿嘈趴梢宰龅健?/p>

“其他人都得出結(jié)論，他們還是要建立一個(gè)門(mén)模型系統(tǒng)，因?yàn)樗麄兿嘈抛罱K可以解決所有問(wèn)題，而退火系統(tǒng)只能解決一部分問(wèn)題。所以其他人都采用了門(mén)模型系統(tǒng)技術(shù)路線。但是一年前發(fā)生的事情令我們每個(gè)人都感到驚訝，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)證明了門(mén)模型系統(tǒng)無(wú)法真正加速優(yōu)化問(wèn)題?！盉aratz指出。

門(mén)模型系統(tǒng)非常擅長(zhǎng)微分方程問(wèn)題。Baratz說(shuō)，它們還可以計(jì)算線性代數(shù)，進(jìn)行因式分解，但無(wú)法解決優(yōu)化問(wèn)題。一言以蔽之，退火解不了微分方程，而門(mén)解不了優(yōu)化。而優(yōu)化有很多潛在的應(yīng)用，事實(shí)證明這非常重要。

D-Wave最初采用了一種看起來(lái)更保守的方法，事后證明是正確的。Baratz稱(chēng)這是“對(duì)我們來(lái)說(shuō)非常成功的歷史僥幸”。目前，D-Wave在退火領(lǐng)域具有先發(fā)優(yōu)勢(shì)。這意味著他們不僅擁有其他人所沒(méi)有的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和技術(shù)，而且還擁有多項(xiàng)專(zhuān)利。所有這些都為公司創(chuàng)造了一條有效的護(hù)城河。

量子計(jì)算的問(wèn)題

一年前，D-Wave得出結(jié)論，他們的量子退火計(jì)算機(jī)已進(jìn)入商業(yè)化階段，這意味著他們有能力解決商業(yè)規(guī)模的實(shí)際業(yè)務(wù)問(wèn)題，并且“即使不是大多數(shù)，也有很多困難的底層技術(shù)問(wèn)題已經(jīng)得到解決”，Baratz說(shuō)。由于公司有一些余力，他們決定啟動(dòng)一個(gè)門(mén)模型研究，使他們最終能覆蓋整個(gè)量子市場(chǎng)。

因此，D-Wave對(duì)基于門(mén)模型的努力所面臨的問(wèn)題也有第一手經(jīng)驗(yàn)。最重要的是糾錯(cuò)。在傳統(tǒng)計(jì)算中，比特用于計(jì)算和存儲(chǔ)信息。量子計(jì)算中的等價(jià)物是量子比特，并且有很多關(guān)于每個(gè)系統(tǒng)可以管理多少量子比特的研究。然而問(wèn)題在于，在很多情況下，更多并不一定意味著更好。

比起經(jīng)典比特，量子比特復(fù)雜得多，但引入錯(cuò)誤的方式也很多。通常是通過(guò)與環(huán)境相互作用而發(fā)生的，例如電磁干擾等。Baratz指出，無(wú)論是量子系統(tǒng)還是其他系統(tǒng)，沒(méi)有任何系統(tǒng)是完全沒(méi)有錯(cuò)誤的。在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中，我們通常不會(huì)考慮錯(cuò)誤，因?yàn)榇嬖谔幚礤e(cuò)誤的糾錯(cuò)算法。但量子計(jì)算機(jī)的糾錯(cuò)算法還不完善。

然而，根據(jù)Baratz的說(shuō)法，退火和門(mén)模型系統(tǒng)之間也存在差異。門(mén)模型系統(tǒng)對(duì)錯(cuò)誤非常敏感，這與執(zhí)行計(jì)算的方式有關(guān)。在門(mén)模型系統(tǒng)上進(jìn)行計(jì)算意味著將指令直接應(yīng)用于量子比特，類(lèi)似于將指令應(yīng)用于經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的比特。一旦錯(cuò)誤被引入，如果不加以糾正，計(jì)算就會(huì)分崩離析。

“由于這些錯(cuò)誤經(jīng)常發(fā)生，如果沒(méi)有糾錯(cuò)，你不可能在不引入錯(cuò)誤和計(jì)算崩潰的情況下完成超過(guò)20或30條指令。但對(duì)于許多門(mén)模型算法需要數(shù)萬(wàn)、數(shù)十萬(wàn)或數(shù)百萬(wàn)條門(mén)指令。因此，如果不進(jìn)行糾錯(cuò)，門(mén)模型系統(tǒng)將無(wú)能為力，”Baratz說(shuō)。

Baratz認(rèn)為，糾錯(cuò)是通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間計(jì)算實(shí)現(xiàn)具有高保真度量子比特的關(guān)鍵，而不是量子比特?cái)?shù)或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)而可以在門(mén)模型系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中取得進(jìn)展。他預(yù)計(jì)，我們至少需要7到10年才能達(dá)到今天的目標(biāo)。他說(shuō)，基于退火的系統(tǒng)要穩(wěn)定得多，量子比特?cái)?shù)量的增加和更好的量子比特連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將使它們能夠解決比現(xiàn)在更復(fù)雜的問(wèn)題。

解決現(xiàn)實(shí)世界的問(wèn)題

Baratz提到了一個(gè)目前還無(wú)法解決的問(wèn)題：對(duì)聯(lián)邦快遞的路徑進(jìn)行完全優(yōu)化，從骨干網(wǎng)到最后一英里。因?yàn)檫@需要數(shù)千萬(wàn)個(gè)變量，D-Wave現(xiàn)在還沒(méi)有。另一方面，許多重要的實(shí)際優(yōu)化問(wèn)題已經(jīng)可以得到解決。與此同時(shí)，在具有更多量子比特、更好連接性和更低錯(cuò)誤率的新型計(jì)算機(jī)方面正在取得進(jìn)展。

Baratz還提到了今天正在解決的一些問(wèn)題，例如萬(wàn)事達(dá)卡的客戶報(bào)價(jià)分配、巴斯夫的作業(yè)調(diào)度以及SavantX和洛杉磯港口的供應(yīng)鏈物流。在最后一個(gè)案例中，裝卸集裝箱的起重機(jī)減少了12%，車(chē)輛提貨時(shí)間減少了12%，同時(shí)效率提高了60%。

根據(jù)Baratz的描述，使用基于門(mén)模型的量子系統(tǒng)的做法聽(tīng)起來(lái)更接近經(jīng)典計(jì)算機(jī)的編程。然而，使用基于退火的量子系統(tǒng)是非常不同的，沒(méi)有傳統(tǒng)意義上的“編程”——任務(wù)被建模為優(yōu)化問(wèn)題，這意味著用戶需要清楚的說(shuō)明他們的問(wèn)題是如何定義的、參數(shù)是什么以及它們之間的相互依賴(lài)性。

Baratz指出，這不是軟件工程師應(yīng)該做的事情，而是由數(shù)據(jù)科學(xué)家和數(shù)據(jù)分析師等人解決的事情。優(yōu)化問(wèn)題通常被指定為所謂的線性規(guī)劃問(wèn)題或二次規(guī)劃問(wèn)題。Baratz說(shuō)，這是優(yōu)化工程師使用的語(yǔ)言，D-Wave允許他們采用該規(guī)范并將其直接提供給混合求解器。

混合求解器利用量子計(jì)算機(jī)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)來(lái)解決問(wèn)題。D-Wave的產(chǎn)品中有一個(gè)混合求解器，最近進(jìn)行了升級(jí)。Baratz描述道，混合求解器能將問(wèn)題定義、輸入，并可以確定問(wèn)題的哪些部分可以由量子計(jì)算機(jī)解決。隨后，再將問(wèn)題分配到量子計(jì)算機(jī)上求解。

D-Wave的產(chǎn)品和路線圖

D-Wave提供名為L(zhǎng)eap的云服務(wù)，用戶可以通過(guò)該服務(wù)訪問(wèn)其功能：量子計(jì)算機(jī)、混合求解器和軟件開(kāi)發(fā)工具。D-Wave還提供專(zhuān)業(yè)服務(wù)，幫助客戶解決問(wèn)題制定或工作提交等在客戶專(zhuān)業(yè)知識(shí)之外的問(wèn)題。

鑒于量子計(jì)算的現(xiàn)狀，我們想知道D-Wave的客戶都是世界上最大的公司。D-Wave本身是一家在紐約證券交易所上市的上市公司。Baratz提到，通過(guò)上市，D-Wave設(shè)法籌集了現(xiàn)金并開(kāi)辟了各種新的資金來(lái)源。

在討論D-Wave最近的第三季度業(yè)績(jī)（Baratz稱(chēng)其在各個(gè)層面都很強(qiáng)勁）的電話會(huì)議中，該公司宣布，在2022年前三個(gè)季度，他們擁有超過(guò)100家客戶。其中，40個(gè)是政府和教育機(jī)構(gòu)，60個(gè)是商業(yè)機(jī)構(gòu)，其中20多個(gè)是全球2000強(qiáng)。另外還有40個(gè)不是全球2000強(qiáng)的商業(yè)客戶，Baratz說(shuō)，例如一家名為Save on Foods的加拿大雜貨連鎖店。

D-Wave的核心產(chǎn)品也可通過(guò)AWS Marketplace進(jìn)行訪問(wèn)。此外，D-Wave在AWS Marketplace上還有一個(gè)更有針對(duì)性的產(chǎn)品：機(jī)器學(xué)習(xí)的特征選擇。特征選擇是機(jī)器學(xué)習(xí)中最重要的元素之一。在訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型時(shí)，將包含許多可能感興趣的特征或分類(lèi)器。但是包括所有這些特征會(huì)導(dǎo)致過(guò)度擬合，即生成了不適合目標(biāo)任務(wù)的模型。

這就是為什么在機(jī)器學(xué)習(xí)的預(yù)處理步驟中，需要識(shí)別一小組具有代表性的特征，然后在該集合上構(gòu)建模型。從一大組弱分類(lèi)中找到一小組強(qiáng)分類(lèi)是一個(gè)非常困難的優(yōu)化問(wèn)題，而D-Wave的系統(tǒng)在這方面做得很好。Baratz說(shuō)，這還能用于欺詐檢測(cè)。根據(jù)Baratz的說(shuō)法，D-Wave目前還沒(méi)有解決機(jī)器學(xué)習(xí)流程管道的其他部分，因?yàn)樗牧孔佑?jì)算機(jī)和任何門(mén)模型系統(tǒng)目前都還沒(méi)有能力擊敗GPU。

Baratz總結(jié)說(shuō)，量子生態(tài)系統(tǒng)是由退火模型與門(mén)模型劃分定義的。退火在今天已經(jīng)走向了商業(yè)化，而對(duì)于門(mén)模型，事情仍處于研究和實(shí)驗(yàn)階段。

“我們是一家通過(guò)退火來(lái)解決優(yōu)化問(wèn)題的公司。現(xiàn)在我們也在做門(mén)模型系統(tǒng)。因此，我們將成為一家能夠涵蓋整個(gè)量子計(jì)算市場(chǎng)的公司，”Baratz說(shuō)。

編譯：王珩

編輯：慕一