AI時(shí)代，技術(shù)巨輪正滾動(dòng)前進(jìn)，基礎(chǔ)設(shè)施變革也已經(jīng)露出苗頭。
今年初，工業(yè)和信息化部、教育部、科技部、交通運(yùn)輸部、文化和旅游部、國務(wù)院國資委、中國科學(xué)院等7部門聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于推動(dòng)未來產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的實(shí)施意見》中，量子計(jì)算機(jī)、量子信息技術(shù)等量子計(jì)算相關(guān)技術(shù)被多次提及。顯然量子計(jì)算已經(jīng)成為未來中國產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的關(guān)鍵發(fā)力點(diǎn)之一。
近年來，包括中國在內(nèi)，全球各個(gè)科技強(qiáng)國都在積極布局量子計(jì)算領(lǐng)域。尤其是伴隨著生成式AI的火爆，人工智能再一次來到了科技的風(fēng)口，而量子計(jì)算被看做人工智能發(fā)展的重要技術(shù)之一，在人工智能領(lǐng)域，量子計(jì)算機(jī)可以幫助人工智能以類似人類的方式更有效地執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)，比如使人形機(jī)器人能夠在不可預(yù)知的情況下實(shí)時(shí)作出優(yōu)化決策。
2024年1月6日，我國第三代自主超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“本源悟空”上線運(yùn)行并向全球公眾限時(shí)免費(fèi)開放。到2月26日，“本源悟空”先后被104個(gè)國家用戶訪問超200萬次，并成功完成16萬個(gè)全球量子計(jì)算任務(wù)。
2023年10月，國際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》發(fā)文，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，成功構(gòu)建255個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章三號(hào)”。該成果再度刷新光量子信息技術(shù)世界紀(jì)錄，該原型機(jī)求解高斯玻色取樣數(shù)學(xué)問題比目前全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“Frontier”快一億億倍。“九章三號(hào)”1微秒可算出的最復(fù)雜樣本，“Frontier”約需計(jì)算200億年.......
以上僅是冰山一角，伴隨著量子計(jì)算的火爆，也必將對(duì)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心帶來“沖擊”，甚至在不久的將來將徹底顛覆數(shù)據(jù)中心的架構(gòu)。
數(shù)據(jù)中心的概念發(fā)展至今已經(jīng)有80余年，如今的數(shù)據(jù)中心已經(jīng)與80年前的數(shù)據(jù)中心完全不同。當(dāng)下，智能計(jì)算中心、超級(jí)計(jì)算中心正在不斷增多，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心機(jī)柜功率也在不斷攀升。
隨著量子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心將迎來又一次顛覆性的變革。
全國人大代表、中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭國平也在今年的兩會(huì)期間提出建議：“讓超級(jí)計(jì)算、智能計(jì)算、量子計(jì)算三股中國計(jì)算力量盡快‘牽手’，協(xié)同工作，稱為‘三算融合’。在國家布局的超算互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上，加快建成國家量子計(jì)算與超級(jí)計(jì)算融合互聯(lián)網(wǎng)，全方位提升大國算力。出臺(tái)專項(xiàng)資金支持多部門協(xié)同研究‘量算—智算—超算’融合，構(gòu)建一體化‘量子—超算—智算’算力網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)平臺(tái)，率先打造國家級(jí)‘三算融合’創(chuàng)新平臺(tái)，搶占全球先進(jìn)算力高地。”
顯然，數(shù)據(jù)中心下一站越來越近了。
為什么是量子計(jì)算？
數(shù)據(jù)中心的發(fā)展要回溯到20世紀(jì)40年代，ENIAC的問世是業(yè)界公認(rèn)的數(shù)據(jù)中心發(fā)展的“起點(diǎn)”。
1964年，世界上首臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)“CDC6600”誕生，該計(jì)算機(jī)也被視作當(dāng)下超算中心的鼻祖。1972年，IBM VM/370 OS的商業(yè)化，開啟了數(shù)據(jù)中心虛擬化之路。
20世紀(jì)90年代中期，互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，讓數(shù)據(jù)中心的業(yè)務(wù)模式有了新的改變，網(wǎng)絡(luò)提供商、主機(jī)托管商得到發(fā)展，新的服務(wù)模式逐漸被大眾接受。
2010年前后，隨著云計(jì)算技術(shù)的崛起，分布式、虛擬化、超融合等技術(shù)逐步在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用，這些技術(shù)為數(shù)據(jù)中心的架構(gòu)帶來翻天覆地的改變。
2017年，IBM發(fā)布全球首個(gè)商業(yè)“通用”量子計(jì)算服務(wù)。在未來回看，這一年或許會(huì)成為數(shù)據(jù)中心發(fā)展史的一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)。
2023年6月6日，IBM通過官網(wǎng)宣布，公司計(jì)劃在德國埃寧根建設(shè)其首個(gè)歐洲量子數(shù)據(jù)中心，以促進(jìn)政府、企業(yè)和機(jī)構(gòu)獲取尖端量子計(jì)算能力。該數(shù)據(jù)中心預(yù)計(jì)于明年投產(chǎn)，配備多個(gè)IBM量子計(jì)算系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)均配備有達(dá)到公用事業(yè)規(guī)模的量子處理器，即超過100個(gè)量子比特的處理器.......
要理解這一動(dòng)態(tài)背后的意義，就要了解量子計(jì)算的特性——量子計(jì)算是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控量子信息單元進(jìn)行計(jì)算的新型計(jì)算模式，即利用量子疊加和糾纏等物理特性，以微觀粒子構(gòu)成的量子比特為基本單元，通過量子態(tài)的受控演化實(shí)現(xiàn)計(jì)算處理。
量子的疊加性，使得量子計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相比，能夠?qū)崿F(xiàn)算力呈指數(shù)級(jí)規(guī)模拓展和爆發(fā)式增長。
傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)原理是二極管和邏輯門，每一個(gè)信息單元叫做比特，只能代表0或者1中的任意一個(gè)數(shù)字，對(duì)二進(jìn)制數(shù)字或字節(jié)組成的信息進(jìn)行存儲(chǔ)和處理；而量子態(tài)疊加原理使得每個(gè)量子比特同時(shí)處于比特0和比特1的狀態(tài)，通過兩種狀態(tài)的疊加實(shí)現(xiàn)并行存儲(chǔ)和計(jì)算。這樣操縱1個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)操縱2個(gè)狀態(tài)，當(dāng)一個(gè)量子計(jì)算機(jī)同時(shí)操控n個(gè)量子比特的時(shí)候，它實(shí)際上能夠同時(shí)操控2的N次方個(gè)狀態(tài)。
量子計(jì)算“天生具備”的并行性，使得人們不再需要并行多臺(tái)計(jì)算機(jī)、配置多個(gè)CPU，就可以實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算。一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)對(duì)2的n次方的個(gè)數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，相當(dāng)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)重復(fù)實(shí)施2的n次方次操作。且隨著量子比特?cái)?shù)量的增加，量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度優(yōu)勢將越來越明顯，量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)相比，其運(yùn)行速度，就好像如今的電腦與珠算相比。以破解RSA密碼為例，用目前最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)來破解RSA密碼系統(tǒng)，預(yù)計(jì)要用到60萬年，而用量子計(jì)算機(jī)只需要3小時(shí)左右。
隨著以ChatGPT為代表的大語言模型的崛起，以及包括計(jì)算化學(xué)、生物醫(yī)療、機(jī)器學(xué)習(xí)、智慧城市、自動(dòng)駕駛等等需要高算力支持的應(yīng)用的逐步落地，人們對(duì)算力的渴望愈發(fā)強(qiáng)烈，算力服務(wù)化已是必然趨勢。
量子計(jì)算以其強(qiáng)大的并行計(jì)算能力，單位時(shí)間內(nèi)不可匹敵的運(yùn)算速度，在上述應(yīng)用迅速發(fā)展的背景下，可以預(yù)見，在未來，隨著需求的不斷增加，量子計(jì)算機(jī)和量子云服務(wù)將成為下一次數(shù)據(jù)中心技術(shù)革新的突破口。
安全、能耗、高性能，數(shù)據(jù)中心發(fā)展的三座“大山”
隨著數(shù)據(jù)中心自身產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以及AI技術(shù)快速發(fā)展對(duì)數(shù)字中心帶來更大需求，安全、能耗和性能的矛盾已經(jīng)越來越突出，可以說已經(jīng)成為“阻礙”數(shù)據(jù)中心可持續(xù)發(fā)展的三座大山。而量子計(jì)算的快速發(fā)展，或?qū)ⅰ耙钠健边@三座大山。
安全方面。如今大部分行業(yè)企業(yè)都將數(shù)據(jù)作為企業(yè)重要財(cái)產(chǎn)的一部分。隨著各類數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的內(nèi)部存放、運(yùn)行的數(shù)據(jù)安全也面臨著日益嚴(yán)峻的考驗(yàn)，數(shù)據(jù)泄露問題已成為困擾數(shù)據(jù)中心及用戶的主要問題之一。在此背景下，量子計(jì)算技術(shù)的成熟，對(duì)于數(shù)據(jù)中心而言，可以說是一把“雙刃劍”。
一方面，量子計(jì)算的發(fā)展讓傳統(tǒng)保密技術(shù)被破解的風(fēng)險(xiǎn)將變得越來越高。例如，基于RSA或橢圓曲線加密方法的公鑰密碼體制等方法，都將在面對(duì)量子計(jì)算機(jī)的攻擊時(shí)失去效力。
另一方面，量子計(jì)算也提供了新的安全和隱私保護(hù)手段，如基于量子糾纏和不可克隆性的量子密鑰分發(fā)技術(shù)，以及基于量子隨機(jī)性和不可兼容性的量子安全多方計(jì)算技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)無條件安全的通信和計(jì)算。量子技術(shù)將成為數(shù)據(jù)中心提升安全性的重要手段之一。
能耗方面。在全球各國都在有序推進(jìn)碳中和進(jìn)程的背景下，作為高載能行業(yè)的數(shù)據(jù)中心行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，義不容辭。據(jù)生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2021年我國數(shù)據(jù)中心總耗電量達(dá)到2166億千瓦時(shí)，占全社會(huì)用電量的2.6%，碳排放則占全國碳排放量的1.14%左右。
隨著各行業(yè)用戶對(duì)算力需求越來越大，數(shù)據(jù)中心如何平衡算力與能耗之間的關(guān)系，如何提升算效，已是行業(yè)最大的痛點(diǎn)之一。
量子計(jì)算的計(jì)算時(shí)間相較于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)有了質(zhì)的飛躍，這意味著，量子計(jì)算機(jī)在某些問題上能夠節(jié)省大量的計(jì)算時(shí)間，大幅提升了“算效”，從而降低能耗。另一方面，在量子計(jì)算中，我們可以通過一些如量子降溫、量子誤差校正等優(yōu)化技術(shù)，有效減少制冷等硬件成本，從而降低量子計(jì)算機(jī)的能耗。
高性能方面。在諸如ChatGPT等生成式AI爆火的當(dāng)下，對(duì)數(shù)據(jù)中心算力的要求越來越高，而量子計(jì)算的逐步成熟，將滿足人們對(duì)于算力日益龐大的需求。
傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在處理某些復(fù)雜的問題時(shí)顯得力不從心，例如在社交網(wǎng)絡(luò)分析、金融工程、物理模擬、生物工程等方面需要投入大量的時(shí)間和成本。而量子計(jì)算機(jī)則在這些領(lǐng)域具有更好的應(yīng)用前景。
例如，谷歌量子計(jì)算機(jī)“Sycamore”在2019年完成了以前無法完成的量子計(jì)算任務(wù)，證明了量子計(jì)算機(jī)在某些領(lǐng)域能夠超越傳統(tǒng)計(jì)算。谷歌方面表示，Sycamore僅用了53個(gè)量子位（目前谷歌最新的Sycamore已經(jīng)可達(dá)到70個(gè)量子比特）就在幾分鐘內(nèi)完成了一項(xiàng)高難度計(jì)算任務(wù)，而這項(xiàng)任務(wù)用彼時(shí)最先進(jìn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)——IBM Summit耗時(shí)1萬年也無法完成。
2022年11月， IBM發(fā)布了其新的433個(gè)比特的Osprey芯片（世界上最強(qiáng)大的量子處理器）。IBM在其開源的量子工具包Qiskit上有20多臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，該工具包迄今已被下載超過45萬次。
更多類似上述技術(shù)的發(fā)展也將會(huì)為數(shù)據(jù)中心帶來新的機(jī)會(huì)與挑戰(zhàn)。在數(shù)據(jù)中心的領(lǐng)域中，通過引入量子計(jì)算技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更快速的數(shù)據(jù)分析與處理，從而為數(shù)據(jù)中心高效運(yùn)營與發(fā)展，提供強(qiáng)有力的動(dòng)力。
綜上所述，無論是安全、能耗，還是提升數(shù)據(jù)中心性能方面，量子計(jì)算相較于傳統(tǒng)計(jì)算都有著“碾壓式”的優(yōu)勢，相信量子計(jì)算將成為“夷平”阻礙數(shù)據(jù)中心發(fā)展三座大山過程中，最“得心應(yīng)手”的工具。
普及的三個(gè)門檻
量子計(jì)算機(jī)雖然相較于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)有著碾壓式的優(yōu)勢，在就目前的技術(shù)而言，量子計(jì)算機(jī)對(duì)于絕大多數(shù)提供算力服務(wù)的公司，以及算力應(yīng)用者而言，是一件“奢侈品”。目前，量子計(jì)算機(jī)更多是被應(yīng)用于高精尖的科學(xué)研究及人類對(duì)于大自然奧秘的探索。
量子計(jì)算機(jī)之所以沒得以“普及”，主要有以下幾個(gè)問題。
首先是環(huán)境要求。
眾所周知，計(jì)算機(jī)的運(yùn)用會(huì)產(chǎn)生熱量，且越精密的計(jì)算機(jī)對(duì)于周邊運(yùn)行環(huán)境越高。這點(diǎn)對(duì)于量子計(jì)算機(jī)而言亦是如此。量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的運(yùn)行需要實(shí)現(xiàn)“超導(dǎo)”。
“超導(dǎo)”溫度在最早要求是“絕對(duì)零度”（等于攝氏溫標(biāo)零下273.15度【-273.15℃】）。經(jīng)過眾多科學(xué)家不懈的努力，如今利用液氮冷卻，以及“高溫”超導(dǎo)材料方面的技術(shù)突破，目前，中國超導(dǎo)臨界溫度已提高到-120℃左右，但這個(gè)溫度實(shí)現(xiàn)的“成本”依舊很高。
今年3月7日，美國羅切斯特大學(xué)的物理學(xué)家蘭加·迪亞斯（Ranga Dias）及其團(tuán)隊(duì)在美國物理學(xué)會(huì)會(huì)議上稱，他們在最新的實(shí)驗(yàn)中研發(fā)了一種由氫、氮和镥的材料，約在21℃的溫度以及1G帕（約相當(dāng)于1萬個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）的壓力下進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)。但這套方案的商業(yè)化難度依舊很大，1萬倍標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=101.325千帕）的工業(yè)難度顯著高于液冷。
綜上，計(jì)算環(huán)境對(duì)于量子計(jì)算機(jī)而言是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，也是決定量子計(jì)算能否真正商業(yè)化普及的關(guān)鍵。
其次是可靠性。
不像傳統(tǒng)機(jī)器那樣使用 0 或 1 的信息位，量子計(jì)算機(jī)的基本計(jì)算單元是“量子比特”。利用量子力學(xué)的疊加性、糾纏性等原理，量子比特可以同時(shí)處于兩種狀態(tài)，因此可以獲得遠(yuǎn)高于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。
而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算需要大量的量子比特，而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子比特的技術(shù)還非常困難。這是因?yàn)榱孔颖忍胤浅４嗳酰菀资艿絹碜酝獠渴澜绲摹傲孔訙y量”和“量子干擾”的影響。要維持這種狀態(tài)必須排除噪聲的干擾，因?yàn)榧幢闶亲罴?xì)微的干擾，都會(huì)破壞這種疊加態(tài)，導(dǎo)致它們失去“量子優(yōu)勢”，從而無法完成量子比特之間的復(fù)雜運(yùn)算。
為了保持大規(guī)模量子比特的穩(wěn)定，科學(xué)家們需要通過各種技術(shù)手段去解決來自外界的“量子干擾”和“量子測量”問題。為此，可以將大規(guī)模的量子比特固定在一個(gè)核磁共振系統(tǒng)中，或者使用超冷原子的速冷技術(shù)，以保證量子比特的壽命和穩(wěn)定性。
除此之外，量子計(jì)算機(jī)還需要一種快速讀取量子比特狀態(tài)的技術(shù)，這也是量子計(jì)算機(jī)技術(shù)上的重要難點(diǎn)之一。
如何解決“量子”的穩(wěn)定性差的問題，成為提升量子計(jì)算準(zhǔn)確率和精度的關(guān)鍵，這點(diǎn)也將成為未來量子計(jì)算能否“照進(jìn)現(xiàn)實(shí)”的關(guān)鍵。
此外，還有硬件成本。
以目前技術(shù)而言，量子計(jì)算機(jī)的研究和制造成本非常高，一方面，量子計(jì)算機(jī)需要的超導(dǎo)材料價(jià)格高昂，且制造工藝成本也十分高。
以IBM的Falcon系統(tǒng)為例，每次運(yùn)行有用的量子計(jì)算需要1000億-5000億量子比特秒，而每個(gè)量子比特秒的成本約為0.05美元。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，單個(gè)量子比特的成本可能高達(dá)10000美元左右。而隨著量子比特的數(shù)量不斷提升，這個(gè)數(shù)值可能會(huì)呈現(xiàn)幾何倍數(shù)式的增長。
受限于上述三個(gè)方面的問題，量子計(jì)算離真正的商業(yè)化普及還需要走很長的一段路，但是隨著量子計(jì)算的發(fā)展，對(duì)數(shù)據(jù)中心的顛覆將是必然的趨勢，或許在不久的將來，我們也將能用上諸如《流浪地球》里量子計(jì)算機(jī)“MOSS”，到那時(shí)候我們每個(gè)人都可以隨身攜帶一座“數(shù)據(jù)中心”。
