【世界知名量子科学家加盟阿里】施尧耘出任阿里云量子技术首席科学家

1新智元报道  

作者:胡祥杰


【新智元导读】量子技术领域重量级人物施尧耘已经确认加入阿里巴巴,担任阿里云量子技术首席科学家。施尧耘教授在阿里巴巴的主要工作和角色是组建并负责阿里云量子计算实验室。施教授说,阿里云不仅强力支撑量子,也是未来量子应用的输出渠道。阿里做量子计算的源动力就是要做好云计算。在接受新智元的独家专访时,施教授谈到了为什么加入阿里、量子技术的最新发展趋势和现状、量子技术与人工智能的关系等等话题。


根据新智元获得的最新消息,量子技术领域重量级人物施尧耘已经确认加入阿里巴巴,担任阿里云量子技术首席科学家。


施教授是最新入职阿里巴巴的又一名领军型的人物。6月26日,阿里巴巴宣布,亚马逊级别最高的华人科学家任小枫加盟阿里,出任iDST首席科学家和副院长。之前公开宣布加入阿里巴巴的人工智能专家还有前南洋理工大学教授王刚。


在接受新智元的独家专访时,施尧耘教授表示,加入阿里巴巴的原因很简单,“阿里巴巴要做的也正是我要做的:让量子计算落地阿里云不仅强力支撑量子,也是未来量子应用的输出渠道。阿里做量子计算的源动力就是要做好云计算。”


云计算本质是计算能力。所以我们要问最强大的计算能力是什么?施尧耘教授在采访中提到,只要认同量子力学是准确的物理规律,量子计算可能就是终极计算。阿里云把量子计算做好,就能提供更强大的云计算服务。


施尧耘教授在阿里巴巴的主要工作和角色是组建并负责阿里云量子研究团队。


谈及在阿里巴巴的发展目标,施尧耘教授介绍说,我们量子项目的目标是在未来,阿里云的所有用户在安全方面能够得到经典密码学无法提供的量子密码的保护。只要量子力学是准确的物理规则,这种安全是没有人、即使倾国之力都无法破解的。藏在阿里云里的量子计算将对多种问题急剧加速计算。这些问题大体可以分成两类:模拟量子系统,和传统计算任务比如机器学习、组合优化等。模拟量子系统的计算有广泛的应用:寻找新材料、新药物、新的化学反应链等。而机器学习和优化则更是无所不在了。可以想像,云端量子计算可以开创新的高科技生态环境,也可以使的机器学习和优化算法驱动的无数的应用运行得更快更好。


加盟阿里?最开始是拒绝的 


新智元了解到,施尧耘1997年本科毕业于北京大学,后在普林斯顿大学取得计算机科学博士学位,是密西根大学安娜堡分校终身教授。


在理论量子信息科学领域,施教授涉猎颇广, 研究主题包括:量子算法和复杂性,量子通信复杂性,量子系统和量子计算的 经典模拟,量子信息学和量子密码学。

 

针对研究领域,施尧耘教授对新智元介绍说,我在学校时是这样介绍自己的:”I’m a computer scientist who works on the mathematics of information for this physical world.” 所以我的研究是很交叉的。我常常开玩笑我的量子知识在指数级的减少。这么说是相对于整个领域指数级的扩张。我进入这个领域时每月在大家贴文章的arXive 上基本100篇以下。现在5、6百。即使如此,我也转战的多个方向。最近几年潜心做的是量子密码学。一个主线索是问,当我们使用的量子器件有可能坏了,或者可能被坏人碰过了,我们还能保证协议的安全么?我自己觉得自己只能体验经典信息,无法直接感知到一个量子态。所以使用量子器件有非常本质的信任问题。我和合作者发现,有一些任务,比如密钥的产生,可以即做到安全,有可以使用用户不信任的量子器件。


在被问及为什么要从学术界转换到工业界,施尧耘教授对新智元说,是为了让量子计算落地。他说:“到阿里之前的二十年我一直在做量子信息科学的理论研究。可以说是纸上谈兵、甚至是吹牛了二十年。特别是在写研究经费申请的时候,总是说量子计算机一旦实现了就不得了了。”


这里边还有一个曲折的故事。今年初的时候,阿里研究人员找到施尧耘教授,问他愿不愿意加入。他当时很坚决地说“No”。


“因为我在学界很快乐。特别是最近几年,感觉攀上了自己学术生涯的一个新的高峰。” 施尧耘教授对新智元回忆说。他说,当时被问到一个问题:“如果阿里要做量子计算,有哪些环节,有哪些步骤?”


施尧耘教授对新智元说,作为学者,我和很多人一样是在钻牛角尖,没有深入思考这些问题。我意识到如果下一阶段如果能为量子计算的落地做出贡献,加上20年的理论工作,我会对自己的选择感到满意。


后来听说“伯乐”不只一位:科大的陆朝阳教授和潘建伟院士也向阿里推荐了施尧耘教授。他说:“国内学术、工业界在发展量子技术上的协同精神很明显。”


阿里巴巴量子计算的投入刚刚开始



量子通信被业界公认是对未来世界科学产生重大影响的革命性技术,中美等大国均投入巨大资源参与到这场未来之战。


马云宣布启动阿里巴巴的“NASA计划”,并说“现在所研究的目标是为了解决10年、20年后的困难。” 


2013年阿里巴巴就开始对量子通信进行研究,2015年与中科院成立的量子计算实验室,这使得阿里成为首个大力投入量子信息科学的中国科技公司。


据介绍,2013年至今,阿里在量子通信技术上投入巨大资源,产出的专利达数十项,包括 QKD(量子密钥分配)的算法实现、系统架构, QKD和云计算结合的应用, 量子通信云服务,以及量子通信和可信计算的结合等方面。


2017年5月3日, 中科大、中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室、浙江大学、中科院物理所等协同完成参与研发的世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算机在中国诞生 。


阿里巴巴资深专家石犀曾公开表示,最终会将量子加密技术和云计算进行了有机结合,形成密钥资源池,以普惠资源通过阿里云提供给用户使用,从而弹性满足用户个性化需求。


国外大公司如微软、谷歌、英特尔和IBM投入远超数千万美元的资源,施尧耘教授如何怎么看待投入问题? 他说,首先这是一个很烧钱的领域;上文提到的这四个公司的投入其实也还有很大增长的空间。大家都是从交学费开始的。


施尧耘教授说:“阿里在量子方面的决心非常坚定 。我喜欢说我没有经费上限。并不是说行癫(阿里CTO张建锋)给了我张空白支票,而是我坚信团队成员的素质是第一要素。高水平的人才总是稀缺的。招人是我的工作重点之一。我并不以花很多钱为目标。这是一个长跑,我希望笑到最后。”


谷歌指出了早期量子计算最可行的三个商业用途:量子模拟,量子辅助优化和量子采样。采用这些技术,可以让材料、金融、保健等行业从中受益。那么,阿里的商业变现策略是怎么样的?


施尧耘教授表示认可这个说法,当然最后一个可以说的更广泛一点,用量子技术来加速机器学习,或者发展基于量子硬件的机器学习办法。我们的变现策略在这里没有特别可以拿出来分享的。指导性的说,阿里提倡客户第一,在量子方面也是。


量子计算与人工智能


量子计算当下的发展会给人工智能的发展带来什么样的影响?量子计算机是否是我们实现强人工智能的必备条件呢?


施尧耘教授在接受新智元的采访是说,当下量子计算如火如荼,政府、学界、工业界都投入很大。当然社会的期望值也很高。我们需要找到一个平衡点,资金供给方既要提供强力支持,有理性的期待;而研发人员既要努力向前,又要坚守学术的诚信原则。


他说:“虽然我是理论研究者,我坚信应用是技术的最强的驱动力。人工智能、大数据是当前量子热度超前的主要动力之一。故而量子计算在人工智能方面的应用也是学界的一个焦点。现在从量子角度对机器学习的研究出现了许多创新的方向,同时人们也在尝试用现有的雏形量子计算机加速机器学习。我有信心量子计算对人工智能最后会有巨大影响,体现在效果的提高、速度的加快。就像深度学习的革命,这些影响最终还是归结于计算能力的提升。但是我不觉得量子计算是实现强人工智能的必备条件。原因很简单,人脑好像本质上是个经典计算机。”


根据新智元的了解,此件有学者认为,量子机器学习是目前量子AI唯一取得突破的地方。那么在量子计算机中深度学习算法或者机器学习算法会有什么样的发展?牛津-洛克马丁-诺基亚有一个量子优化和机器学习研究中心了,牛津认为先不追求通用机,只要能运行量子机器学习算法就能有巨大回报了。施尧耘教授如何看待这一问题?


他说,因为大规模高信度的量子计算机还没有出现,恐怕量子机器学习也还在沙演阶段。AI本身也牵涉到很多计算问题,比如采样,优化等。可以说对实际,包括AI,很重要的计算,量子科学家们都在研究。 施尧耘教授认同不一定要通用机,解决问题就行。经典计算也是这个趋势。


那么量子计算和计算机科学是怎样的一种关系?量子编程是可能的吗?目前面临哪些难题?


施尧耘教授介绍说,量子计算是个交叉学科,牵涉到物理,计算机,化学,数学等。在不同的发展阶段这几个方面从投入/产出比重看是个动态过程。公众现在很自然地最关心实验物理学家做出几个量子比特,第一台量子计算机何时到来。所以在围绕做出量子计算机的课题是核心课题。相应物理的影响最大。未来传统计算机课题像计算机工程,体系结构,算法设计等从业者比例会上升。其实经典计算也经历了类似的过程。


量子裸机除了发科学论文是没有用处的。最终要运行精心设计的量子算法。这样量子编程语言作为描述量子算法的工具也是必要的。这方面的研究开始不久,相信有很大发展空间。一个有量子特性的问题是如何保证量子程序的正确性;这比经典相应问题难。多个公司也已经有免费下载的量子编程语言。当然,没有算法,编程意义不大。


下一代计算:量子云?


量子计算机与传统计算机有着巨大的差异。此前,根据 TechCrunch 的报道,Pund-IT 首席分析师查尔斯·金(Charles King)曾介绍说:“一方面,传统计算机系统基于二进制原理(通过开关半导体门电路来代表 0 和 1),而量子系统则使用量子位,量子位可能处于 0 或 1 的叠加态。从理论上来说,最终的系统可以利用量子机制,例如叠加态和量子纠缠,去提供数据处理功能。”


量子计算长期以来都被认为是20年以后才会实现的技术。但是,2017年开年时,《Nature》曾发表一篇名为,《2017年将是量子计算机从实验室走进现实》为题,梳理过去一年量子计算机相关进展,并预计2017年该领域值得期待的突破。认为2017可能是这领域改变其“仅限于研究“的印象的一年。


计算领域的巨头谷歌和微软最近聘请了大量的重要人物,并且为刚开始2017年设置了一些具有挑战性的目标。他们的野心反映了一个广泛的现象:量子计算正在从纯粹的科学转变到工程建造。初创企业和学术研究实验室中也遇到了类似的情况。


“人们是真的在建设一些东西“,马里兰大学物理学家Christopher Monroe说,”我从来没见到过这样的现象,它(量子计算)已经不仅仅是科学研究了。“Christopher 同时是初创企业IonQ的联合创始人,这家企业创建于2015年。


谷歌在2014年开始研究基于超导超导的量子计算机。谷歌希望在今年,或者稍晚一些的时候,能够超越最强大的“传统”计算机所能做到的计算能力,这一里程碑式的成就被命名为量子霸业。谷歌的竞争对手——微软,把赌注压在了一个非常吸引人但是还未经验证的概念——拓扑量子计算上,并希望成为首个展示这一技术的公司。


量子通信技术现在真正发展到什么水平了?我们离实现量子通信还有多远?


对于大多数人来说,量子通信技术现在还是一个比较前沿的领域,那么这一领域真正发展到什么水平了?我们离实现真正的量子通信还有多远?


在谈到这一问题之前,施尧耘教授首先作了一下澄清:人们一般谈的量子通信技术的目标不在通信本身,而是在于密码。更准确的讲,在于在通信的双方建立共同的秘密(所谓的密钥发布,Key Distribution)。这个任务是双方进行秘密通信的第一步,故而是当前秘密通信的基石。


施尧耘教授进一步介绍说,量子密码技术已经实用了。不光有不少公司,成功的像国内的国盾、瑞士的ID Quantique都卖产品多年了。而且据他所知,他们财政上是很健康的。话说回来,一个密码系统系统要广泛的使用需要经过严峻的考验。施尧耘教授有个说法,所有密码系统都是可以被证明是安全的,问题在于该证明的假设是不是成立。理论上安全实际上很容易被攻破的就是因为实现时的复杂情形使得理论证明的前提失效。量子密码产品很新,所以恐怕还需要更多的磨练。他觉得攻击量子密码的研究需要大力加强。他说:“客户第一是阿里巴巴的信念。有关客户的安全,我们更不含糊。具体的讲,在阿里云,我们将会发展量子攻击的研究能力,目标是要给客户最大的信心,相信我们提供的基于量子技术的安全产品是经得起考验的。”


在技术上,量子密码的一大瓶颈是光子在光纤里传几十公里就不可用了。所以长距离的应用目前只能靠可信的中继节点。也就是说相离遥远的两方的秘密有许多中继也是知道的。并不是所有场合这样的情况是可以接受的。基于卫星的量子密码协议可以解决这个问题。这也是中科院潘建伟院士领导的量子卫星项目很重要的一个原因。另一个途径是让中继能有量子纠错的能力。量子纠错能力也是量子计算的必由之路。故而量子计算实验技术的发展也许能根本解决量子密码中的这一技术弱点。


现在的量子计算机技术主要由5种方法:超导回路(superconducting loops),囚禁离子,硅量子点(silicon quantum dots),拓扑量子比特(topological qubits),钻石空位(diamond vacancies),各家公司也都选择了不同的路径,如何评价这些方法?


施尧耘教授介绍说,量子计算目前的状况相当于四、五十年代的经典计算。我们还不知道哪个技术会成为“量子晶体管”。所以整个行业需要尝试多个路径。上面提的几个各有利弊。超导目前走在前列,大有“量子真空管”的样子。就是说可以做大得可以解决实际问题,但又面临严峻的瓶颈。鉴于历史上晶体管后来居上,量子硬件的PK胜负还是很大的未知。


阿里履新:之江实验室副主任


9月6日,之江实验室在杭州市正式揭牌成立。这个新的科研机构是浙江省创建的开放协同的混合所有制新型研发机构,以创建国家实验室为发展目标,依托浙江大学和阿里巴巴集团为主要研究力量,落户位于杭州未来科技城的中国(杭州)人工智能小镇。浙江财政提供首期50亿资金支持。


在研究方向上,之江实验室聚焦网络信息、人工智能,以大数据、云计算为基础,布局未来网络计算、泛化人工智能、泛在信息安全、无障感知互联、智能制造与机器人等五大方向。


目前,之江实验室设有一个主任和两个副主任,分别由朱世强、浙江省科技发展战略研究院院长袁继新和阿里巴巴集团阿里云量子技术首席科学家施尧耘担任。


谈到最新的工作岗位,施尧耘教授对新智元介绍说:“之江实验室至少对我来讲十分发聋振聩,因为里头有着历史性的创新。这个创新不在于它的目标,也不是政府要出多少研究经费。创新是在体制上:她的“两核”,即浙大和阿里巴巴集团,之一是个民营企业。实验室是朝着升级为国家实验室进军的。什么叫体制创新,聚焦目标而又敢担当的。”


施尧耘教授进一步介绍说,“为什么我说她是聚焦目标的?凭什么我们做的比别人好?靠房子奖金双语幼儿园等等哪里都能做的;企业已经在18年的实战中证明自己强大的创新能力。我们要聚的焦是把事情做好,是落实创新推动的发展战略。”


他认为,诞生之后,实验室愿景的实现极具挑战。阿里巴巴“主要负责优势领域的研发和相关科研成果转化与产业承接”。



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