樊晓芳原创

机器之心对话「科学家保姆」施尧耘:带领阿里迈出量子芯片研发第一步

又一家企业紧跟 IBM、谷歌的步伐,踏入了量子硬件全球巨头竞技场。「这次我们是正式研发量子芯片,硬件实验室在阿里杭州总部!」自称「科学家保姆」的阿里达摩院量子实验室(AQL)主任施尧耘一边描绘着自己对阿里量子计划的憧憬,一边与机器之心讲述加盟阿里这一年里在阿里内部「创业」的成绩与挑战。

9 月 19 日,2018 云栖大会上,连同横空出世的「平头哥」半导体公司,阿里巴巴集团首席技术官、达摩院院长张建锋宣布,达摩院已正式开始研发超导量子芯片和量子计算系统。

与围绕着它的掌声和欢呼不同,我们看到的是施尧耘与达摩院量子实验室成立一年以来背后的「创业」历程,并对阿里这家互联网科技公司,作为国内首家启动量子计算硬件研发项目的企业机构进军全球量子计算机硬件竞技场的这份勇气,表示敬意。

迈出了研制量子芯片这一步,也意味着阿里巴巴将在未来与 IBM、微软、谷歌、英特尔等已具备一定量子计算硬件研发成果的国际企业展开正面竞争。

底气来源何处?「首先,行癫(阿里巴巴 CTO 张建锋)没有给我研发预算的限制,巨额的制作设备订单都已下了。其次,我们已有多名来自普林斯顿大学等世界知名研究与教育机构、量子计算企业的多名量子科学家加入。再之我们已有清晰的研发规划。」施尧耘说道,「很多情况是对未知的一种恐惧,但人才才是关键。」

施尧耘同时表示其量子硬件团队,将会有一半是不需要有量子计算背景的,很欢迎一些做经典软件、经典硬件、微波的软件工程师与电子工程师加入。

与此前设立的量子实验室软件及算法研究的国际化研发布局不同,新组建的量子计算硬件团队将设立在杭州阿里西溪园区总部。 

未来 5 年间,阿里的量子计算业务研发重点主要在量子芯片研发、云端量子计算系统、量子机器学习、优化、模拟量子物理的前沿算法、不同场景应用四个部分。

图:2018 云栖大会上,达摩院院长张建锋介绍阿里量子计算未来

阿里量子实验室这一年

去年 6 月,达摩院量子实验室创始人及主任施尧耘正式加盟阿里巴巴,并在 10 月的杭州云栖大会上举办了一场持续一天的国际性量子信息科学研讨会,邀请了来自荷兰代尔夫特理工大学(TU Delft)、荷兰国家数学和计算机科学研究中心(CWI)、加拿大圭尔夫大学和滑铁卢大学量子计算研究所(IQC)等国际知名量子技术研究机构教授代表参会。

今年 1 月,之前也参加了云栖量子峰会的两次理论计算机最高奖哥德尔奖得主、匈牙利裔美国计算机科学家马里奥·塞格德(Mario Szegedy)加盟阿里量子实验室西雅图团队,主要开展量子机器学习、优化问题等算法研究。

今年 5 月,达摩院量子实验室发布首个重要科研成果「太章」,这也是国际规模最大的量子电路模拟器,成功模拟了 81(9x9)比特 40 层的谷歌随机量子电路,超出了此前被模拟的最大规模的电路。太章借助了阿里巴巴集团计算平台在线集群 14% 的节点计算资源,重新界定了量子计算超越经典计算能力。

「太章」作为过渡工具

太章目前只是由经典算力制造的量子计算模拟器,不是量子计算机,现阶段只能用于做算法研究和测试用。

太章的定位是个「工具」,下面是硬件的发展,上面是应用的研发,是在阿里在还没有研发出数字型通用量子计算机之前起承上启下作用的「研究辅助工具」。

具体到可研究的问题,比如量子模拟、量子纠错。就拿量子纠错来举例,纠错功能是通用量子计算机系统中很重要的机制。如果没有纠错码,实践期间物理系统产生错误的方式,跟理论上很简单的模型,肯定是不一样的。理论上可以想象每个错误是独立的,以同样的概率产生,但实际上肯定不一样。

我们可以想象一下,若之后去测量量子芯片上单独每个量子比特的特性,会得到一些数据来表达出错到底是什么特性。再根据这个特性,去选择一个很好的纠错码。但这时候理论证明是不可能的,因为量子系统本身出错的情况就很复杂、很不漂亮。

再之,「太章」也算是可利用现有经典计算资源去做量子计算研究的一块翘板,比如一些副产物中,就有人发现有些受量子物理启发的经典算法运算效果比现有在小规模量子比特量子计算上做的量子算法运算效果更好。

施尧耘认为量子计算的意义不光在于比经典更快,还在于「不同」。有许多问题无论经典或量子都没有完美的解决方案。量子相当于提供了一个新的维度,使得可能比经典更快地的到结果。即使之后经典解决方案赶超上来,这已经有商业价值。所以,施尧耘认为量子和经典计算不断相互超越会成为常态。今年 8 月,Scott Aaronson 的学生 Ewin Tang 证明了受量子激发的经典算法能以和量子计算机相近的速度解决推荐问题。这是一个经典跟上量子的例子。相信这样的例子还会更多,不光是所谓「量子快速算法的经典化」,也包括完全不一样思路的经典方案。

施尧耘认为目前工业界这波对量子计算的投入背后的推动力是大数据。「大数据背后的价值是巨大的。而有些价值被挖掘出来是非常困难的计算问题,无论对经典还是对量子。量子提供了一个不一样的工具,」施尧耘说道。这是阿里大力发展量子机器学习研究背后的思考。

虽然太章是经典系统,「『太章』也有应用的潜能,未来会继续发展,未来发布的『太章 』延伸版本,可能可以用于算法应用研究。」

研发核心还是在硬件

去年云栖大会上也曾了解到施尧耘本人的学术背景是计算机理论,而现在他带领的团队要进军量子硬件。施博士解释了背后的思考:当前量子计算的研发,必须是硬件和应用紧密结合、互相驱动的。

量子硬件的发展是一个循序渐进的过程,最早实用的量子算法必须基于硬件的特性进行优化,而最初的硬件也必须针对特定的应用进行优化。「所以我们必须紧密结合芯片与应用的开发,才能最快地让量子计算落地」,施尧耘表示。

施博士指出量子硬件实验室成立背后的思路和芯片事业的起航本质是一样的。

被问及阿里的硬件项目和学术团队的有何不同时,施尧耘解释道,「企业做量子计算硬件与学界不一样,主要关注落地和产业化两个目标。」

落地指的是要作出产品,解决实际问题,给客户带来价值。产业化则是培育、促成量子计算产业的生态。比如在制冷、微波、低温电子学等相关技术的提供商和合作者,以及和帮助阿里输出量子计算能力给用户的服务商,阿里希望借助自己的商业资源,如企业平台、技术投资团队、对外商业拓展能力,来帮助这些生态元素的发展。

施尧耘表示,目前硬件实验室的研究核心还是在通用型量子计算机上。目前由于考虑到超导材料技术相对成熟、设备容易配置、做超导方向的人才较多等因素,会聚焦超导体系。

但也会关注比如拓扑等其他物理体系的线路。超导跟拓扑硬件体系有很大交集,因为实验室的设备基本上一样,实验技术也基本上一样,人员本身的能力也很相似的。其次拓扑里面有一部分必须用到超导,拓扑量子计算的一部分目前是用超导量子计算的比特设计来做的。

「我们是非常开放跟任何人合作的,包括今天获奖的青橙奖的清华大学张浩教授。张教授是拓扑量子计算物理实现国际级的领军专家。我敬佩他放弃国外优越的工作机会,毅然回国,加盟清华。我相信他的实验室将很快成为国际一线梯队。他获得青橙奖是实至名归。我非常兴奋他成为我们战略合作伙伴,将和我们长期紧密合作。」施尧耘高兴地说道。

记者注意到超导量子计算是国外工业界量子硬件的主流。达摩院将如何后来居上呢?

「我觉得我们比较幸运的是,在全行业做量子计算硬件都比较初期的时候,我们凭借后发者优势,可以根据现在最好的条件、最好的想法,以及更多的资源去选择一些细化的技术的研究课题。比如现有几家公司,都是用同一种类型的量子比特设计,那我们是否可以有不同的设计方法?以及不同的纠错技术、纠错码的设计方案。」这些方向阿里则仍是通过资助研究所团队与学界合作研究,共同探索不同的技术路线,以及对冲科研风险。

对于优化确定性的任务,施尧耘透露 AQL 已经有非常详细的规划。「什么年做出什么结果来,这个结果用两个参数衡量——比特数、精度。以及具体有几个子任务、子任务多长、子任务之间的依赖关系、具体需要多少资源,我们一清二楚。」施尧耘说道。

选择志同道合的研发合作伙伴

施尧耘眼中的量子生态主要有上中下三个部分。上层是用户,用户会提出对计算资源的运用需求;中层是学术研究合作伙伴,探索方向不确定性的核心技术;底层是量子计算辅助技术输出者,比如制冷机技术、用作控制超导量子芯片的微波技术、将超导芯片放到低温环境的低温电子学技术。

中间层的学术团队合作,是施尧耘认为生态中最重要的部分。施尧耘从做量子计算生态的角度,希望「分散资源做小事」,即站在企业的角度,有些资源能和更多优秀的独立学术团队一起探索可能获得诺贝尔奖量级的惊天动地的工作。

施尧耘认为在量子计算这个新兴学科领域,目前行业合作远远大于竞争,在合作双方都无法对合作后的成果有清晰的预期但都明白合作一定能推动研究进展的情况下,如何在平衡时间成本和人力成本之下推动研发合作,就成了企业研发团队负责人必须考虑的问题。

施尧耘特别希望谈谈他自己对合作的看法,毕竟「动脑瓜子」是其日常工作的重要部分。

「加盟阿里后,我从一位教授变成一个企业研究室的负责人。以前是很受人尊敬的教授,现在变成了一个项目经理。」施尧耘笑道,「我其实最希望别人把我们看成一个学术团队,一起合作是纯学术团队的合作,那是最棒的情况。而不是说我拿了多少经费,IP 怎么分。所以我希望有这样的合作团队,我也不计较什么 IP 跟他们一起做,这是最好的状况。」

「但话说回来,我们去资助研究,其实也是很有意义的。我需要思考这么一个问题,为什么要资助?资助我能得到什么东西?我觉得资助至少得考虑三个方面——风险对冲、研究互补、人才培养。

第一个是风险的问题,全球量子人才都很短缺,这限制了我们研究课题的范围,只能去研究一些很中心的问题,因此肯定会错过很多其他有价值的研究问题。所以我们会积极支持别人的工作,让别人研究我们关心的也是有巨大学术价值的问题。具体讲,量子计算其他技术路线,都是我们希望紧密跟踪的;而超导量子计算里的核心问题,也是我们希望得到帮助的。第二个是对方能够更有效率地帮我们解决我们必须解决的问题,从而降低我们研发成本。第三个是人才的培养,对方的学生博士后,尽管现在做的东西对我们没有什么直接价值,但若是最棒的团队,我们也会考虑资助。

抽象地讲,我觉得跟学校的合作,最后决定做不做,有三个衡量的准则——解决优先级高的问题、制造非对称性、感情好过得甜蜜。

第一个,是不是能够解决我们优先级高的问题,如果这个问题优先级不高,我们可以先做点别的事情。第二个,是能不能产生一个非对称性,让我们在竟技场里得到一个更本性的竞争力和壁垒。第三个则是跟这个团队是不是有感情,因为科研这个东西,合作很难规定细则,感情不好没有信任,做事效率就不高,也有被人拐走的风险。

「最近觉得过得甜蜜真的非常重要。」施尧耘重点强调了一下团队间合作需要有「感情」。

「科学家保姆」施尧耘

去年创建阿里量子实验室之后,施尧耘奔波世界各地。「我觉得自己就是一个量子态,杭州、西雅图、北京……哪都有我!」

当介绍自己加入 AQL 这一年来的主要工作内容时,施尧耘依旧用特别生动的语言描述道,「我的主要工作是动脑筋和动嘴巴。动脑筋思考方向性的问题和规划;动嘴巴是吸引人才加入,给领导提供决策的信息和逻辑。」

施尧耘的求贤若渴也普遍反映了国内外所有量子计算实验室及机构都希望招揽贤才的现状。

「我低落的时候,会伤感现在已经基本不是科学家,堕落成科学家的管理者了。最近意识到其实是科学家的保姆。」

「我们每个人都是为量子来纠缠的,我的工作就是帮那些量子科学家们成功,因为他们成功的定义是实现量子计算,那也就是我的成功。」

听说施老师还有一个连其团队成员都猜不到寓意的英文花名「Vitruvius」?

「哈哈,你说『Vitruvius』,这是我大儿子特别喜欢的一个乐高电影里的形象。他是有远见的盲人 (visionary blind),做着非常重要的事而又不忘找乐。所以起 Vitruvius 自我激励的一种暗示吧!」施尧耘说。「这个形象的历史原型是古罗马的一位工程师和科学家,是建筑学的鼻祖。他说他的理想建筑有三个要求:「实用」,「坚固」,「美」。所以叫自己 Vitruvius 也是要求自己工作要「致用」、「致远」、「致美」。」施尧耘又补充道。

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