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导语:微软研究了一种量子算法,能够提高磁共振成像的速度和精度。

智东西7月16日消息,近日,微软与克利夫兰凯斯西储大学的科学家合作,他们专门研究一种称为磁共振指纹(MRF)成像的技术,能够把磁共振成像精度提高25%。

该公司表示,这一进展有一天可能会改善乳腺癌和其他疾病的治疗方法。例如,它可能允许医生在几天内确定肿瘤是否在化疗后萎缩,而不是等待数周或数月。

这一发展是最近一些研究人员使用为未来量子计算机设计的算法的案例之一,这些算法将改进在当今现有计算机上运行的计算。其他例子包括使用量子算法来找到管理整个电网负荷更好的方法、改善拥挤城市的行车路线和控制投资组合中的风险与回报。

一、 磁共振指纹成像:精准区分身体组织类型

在最新的案例中,微软与克利夫兰凯斯西储大学的科学家合作,他们专门研究一种称为磁共振指纹(MRF)成像的技术,就像更熟悉的磁共振成像(MRI),这种技术使用了强大的电子场和无线电波生成内部器官和软组织的图像。但是传统的磁共振成像只能识别光或暗的区域,而放射科医生必须对这些区域进行主观评估,磁共振指纹成像可以精确区分组织类型,从而获得更详细和可解释的图像。

凯斯西储大学的MRF先驱Mark Griswold领导了这个项目,他喜欢用“试着听唱诗班”这个比喻来形容MRF。例如身体的组织就像是歌手,使用传统的MRI,就好像整个唱诗班都在唱同一首歌,而听众只能确定一位歌手是否比其他歌手唱的更响亮或更柔和、更高或更低或者是否跑调;而使用MRF,就像听每个歌手都唱自己独特歌曲的合唱团一样,听众能够将合唱中的声音与歌曲隔离开来并用它来识别歌手。

配置扫描器以找到特定的组织类型是非常耗时的。在微软量子算法的帮助下,研究人员发现,他们可以在原来三分之一到六分之一的时间内完成扫描,同时扫描精度提高了25%以上。“精度的提高非常重要,因为它能让我们看到组织中越来越小的变化。”

微软一直在强调量子算法的潜力,部分原因是为其未来的量子计算机市场埋下种子。但它一直在强调自己的量子计算软件而不是硬件,因为与一些竞争对手不同,尽管经过多年的发展,它还没有任何值得炫耀的量子计算硬件产品。

二、自定义算法提高MRF成像精度和速度

据Mark Griswold说,使用MRF成像技术,关键在于如何准确调整扫描仪传输的无线脉冲的强度、频率和角度。找到正确的脉冲模式是扫描仪能够识别组织类型的关键。他说:“有一种数学上最理想的模式可以让扫描仪只拾取那种精确到单个细胞的组织类型,但由于它涉及的变量太多,以至于超出了传统计算机的计算能力。”

“因此,研究人员几乎完全依赖有根据的猜测(educated guesswork)来调整每次扫描的脉冲模式,即使使用这种不完美的方法,MRF仍会产生比MRI更详细的图像。”

Mark Griswold说,要想得到进一步的改善,就必须找到这种数学上的理想模式来代替人工直觉。但是,当他的团队申请拨款研究如何使用传统算法技术来优化MRF扫描时,该申请被拒绝了,理由是解决这样一个数学上具有挑战性的问题是根本不可能的。

然后Mark Griswold听说微软正与凯斯西储大学医疗成像专家合作,测试其HoloLens增强现实眼镜,并且正在寻找用量子算法创建类似演示案例的合作伙伴。Mark Griswold近20年来一直密切关注量子计算的发展,他意识到这可能是他的机会。

“我们喜欢看似不可能的问题,”从事MRF项目的微软量子计算研究人员Matthias Troyer说到。更重要的是,MRF就是一个看似不可能的问题,一项优化已经存在的量子算法的挑战。

不过,Matthias Troyer也说,现有的量子算法必须针对Mark Griswold的问题进行调整。“我们想强调的是,要想真正获得量子优化器的全部功能,我们必须制定一个定制解决方案。”在这种情况下,最困难的部分是从构建MRF图像所涉及的几千个变量中找出算法应该尝试优化的因子子集。一旦你这样做,他说,“最初不可能的事情就会是可能的。”

他还说,即使在传统计算机上运行量子算法也会显著提高MRF扫描的速度和精度,但如果在足够大的量子计算机上,结果会更加令人印象深刻。

但是Matthias Troyer所说的量子计算机需要一百万个符合逻辑的量子比特,而这种规模的机器,即使不是几十年,也要很多年才能问世。

三、量子计算:计算能力或指数级增长

量子计算机使用量子力学特性来表示和处理信息。在传统的计算机中,信息比特(bits)的二进制格式处理,用0或1来表示。每个比特的值独立于计算中使用的所有其他比特。在量子计算机中,使用量子比特(qubits)来表示信息。这些量子比特可以使用任何具有量子特性的现象(例如,电子的自旋或光子的极化)来创建。

与比特不同,量子比特可以同时表示0和1,或者在某些情况下表示0和1之间的任何值。更重要的是,每个量子比特的值会影响系统中其他量子比特的值,这就为几乎瞬时的解决方案打开了大门,而不必以串行方式处理信息。理论上,这两个因素使量子计算机具有比传统计算机更大的优势,因为每增加一个量子比特,它的功率增长不是线性的,而是指数级的。一台足够大的量子计算机应该能够做一些即使是当今最大的超级计算机也无法做到的事情,比如找到更节能的化肥生产工艺,或者打破保护世界大部分数据的加密系统。

量子计算机曾经是科幻小说的素材。但在2011年,加拿大公司D-Wave Systems首次推出商用量子计算机,即使当时这款机器只适用于解决某些数学问题的子集合。从那时起,IBM谷歌和总部位于加州伯克利的初创公司Righetti Computing都开始制造出更多通用量子计算机,客户可以通过互联网访问这些计算机。与此同时,英特尔也已经推出了量子处理器,尽管这些还没有提供给商业客户。

到目前为止,这些量子计算机都还没有一台强大到可以做传统计算机做不到的事情,尽管人们相信谷歌可能已经接近跨越这个被称为“量子霸权”(quantum supremacy)的门槛。即便如此,量子机器仍然太小,而且它们的计算太容易出错,即使商用对大多数公司来说也没什么作用.

四、阿里亚马逊纷纷投身量子竞赛

在过去的一年里,阿里巴巴宣布将建造一个量子处理器,亚马逊悄悄地雇佣了一个量子计算专家团队,表明它也可能在建造一台机器,而至少有六家初创公司也在研究量子硬件。

在微软,首席执行官萨蒂亚纳德拉(SatyaNadella)将量子计算描述为三种突破性技术之一,其他两种是增强现实技术和人工智能技术,这些技术对公司的未来至关重要。在他的领导下,公司在量子计算上下了很大的力气。先是从世界各地聘请了一支由物理学家、数学家、计算机科学家和工程师组成的团队,又聘请了一位经验丰富的工程主管,托德霍姆达尔(Todd Holmdahl),他曾是Xbox游戏机和HoloLens混合现实头显的负责人。

该公司为其量子计算机的量子比特选择了一种未经测试的架构,基于一种难以捉摸的亚原子粒子,物理学家们直到2017年才100%确定其存在。这些亚原子粒子能够组成一条辫子(braid),与IBM、Google和Righetti使用的粒子相比,这种形状使它们更稳定,更不易受到周围电磁力的冲击干扰。在理论上错误率较低的情况下,微软的设计应该更适用于商业应用。但是,首先,微软必须证明它能够可靠地制造出这些辫子,并用它们来形成量子比特,这是它还没有做到的。

与此同时,微软有一大批数学家和计算机科学家在研究量子计算机的编程方法。而且,事实证明,利用量子计算机的特殊属性而开发的一些算法也适用于普通的计算机。

结语:量子竞赛加码,算法突破先行

量子计算作为最近几年兴起的一种新技术,和增强现实技术与人工智能技术并列为三种最具突破性的技术之一。

微软新发布的为未来量子计算机开发的算法,有效提高了医用磁共振成像的速度和精度,速度提高六分之一至三分之一,精度提高25%以上,这对医学发展无疑是一个好消息。

在量子计算的巨大潜力下,目前许多公司纷纷投身量子计算领域,研发量子计算机及相关软件,虽然目前的量子计算还没有突破人们的认知,但随着该领域巨大的投入,未来量子计算或能够取得更大的发展。