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想让量子计算机指数式飞速发展,IBM的野心能实现吗?

2019-03-12 10:08

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人们所理解的经典物理学是明确的、唯一的、拥有正确答案的,但利来娱乐国际最给利老牌网站量子力学却充满着模糊与不确定性。

根据量子力学,经典粒子在某一时刻的空间位置只有一个,而量子客体则可以存在空间的任何位置,具有波粒二象性;量子存储器可以以不同的概率同时存储0或1,具有量子叠加性。

1982年,诺贝尔奖得主、物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)发明了一种依靠微观粒子运行的超级强大的计算器。他称他的想法为“量子”计算机,指的是亚原子层面上支配自然的法则。

与传统计算机不同,量子计算机是建立在量子力学的原理上工作的。

因此,如果量子计算机的CPU中有N个量子比特,一次操作就可以同时处理2n个数据,而传统计算机一次只能处理一个数据。例如,具有5000个量子位的量子计算机,可以在30秒内解决传统超级计算机要100亿年才能解决的大数因子分解问题。

但在某一点上,它们与普通的“经典”计算机相似:它们的设计者都希望它们跑得更快。

IBM的量子野心

近日,IBM发布了一张未来路线图,表明了自己在量子计算领域的野心。

这条线所显示的目标是每年将性能提高一倍,这样量子计算机就能实现IBM所称的量子优势,即量子计算机在一项任务上比经典计算机更快或更高效,或者完成经典计算机无法完成的任务。

IBM还提出了一个方便的单一数字来校准速度计,这种“速度计”是用一个叫做量子体积的数字校准的,它不仅测量量子计算机有多少量子比特——这是衡量其数据处理能力的关键指标——而且还测量计算机能从出了名的不稳定量子比特中得到多少数据用量。

IBM的量子计算机在2017年达到了4量子体积,然后在2018年达到了8,现在其发布的Q System One(20量子比特)达到了16量子体积。

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这种倍增似乎是摩尔定律(Moore's Law)的量子版。摩尔定律是英特尔(Intel)联合创始人戈登•摩尔(Gordon Moore)对传统电脑芯片指数级发展的著名观察。

他认为,集成电路上可容纳的晶体管数目,约每隔两年便会增加一倍。

曾任英特尔CEO的大卫·豪斯此后将这一说法转变为:“预计每18个月,芯片的性能将提高一倍。”

摩尔定律数十年来一直被证明是正确的,但随着处理器电路小型化的难度越来越大,它的地位正在动摇——这一现实使得量子计算作为该行业持续发展的一种可能方式变得更加重要。

IBM研究人员杰•甘贝塔(Jay Gambetta)和莎拉•谢尔登(Sarah Sheldon)在一份声明中说:“要想在___20年代取得量子优势,我们需要每年将量子体积至少增加一倍。”

IBM在2019年美国物理学会3月会议上公布了这一结果,该会议展示了量子计算在从物理研究转向更实际的工程和计算机科学之前还有多长的路要走。

全球首台量子计算机出自IBM

在近日的CES 2019展上,IBM展示了其最新的成果——全球首个独立商用量子计算机Q System One,该系统是世界上首个专为科学和商业用途设计的集成通用近似量子计算系统。

IBM Q System One使通用近似超导量子计算机能够走出实验室,这可能是有史以来第一次。它由IBM科学家,系统工程师和工业设计师设计,具有精密,模块化和紧凑的设计,在稳定性、可靠性方面进行了优化。

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(图源:IBM官网)

这台具有划时代意义的量子计算机外形就像个古怪的吊灯。Q System One有一个外形尺寸高2.74米(9英尺),宽2.74米(9英尺),厚1.27厘米(半英寸)的硼硅酸盐玻璃外壳,形成一个密封外壳。这个厚玻璃外壳用于减少振动和辐射,并帮助保持计算机接近绝对零度。

快速的超冷气流被用来使量子位元保持在10微K,比外层____还要冷。

“量子计算机内部是地球上最冷的地方之一。” IBM的资深人员Bob Sutor说,“你现在看到的是世界上最贵的冰箱。”

Sutor说,为了保护机器内部的量子位元,需要这种又冷又厚的玻璃。量子位元是如此的脆弱,以至于一个光子的光或者某人指关节的一击就能摧毁他们的计算。

这台量子计算机中的大多数配件都是为了保持芯片的低温和稳定而设计的。设计人员们还使用了不同形态的液氦来为机器降温,使用了线圈还缓解设备内部由于过冷造成的压力。

五层像俄罗斯套娃一样的外壳将计算机的核心包裹起来。IBM Q由许多自定义组件组成,这些组件协同工作,可用作最先进的基于云的量子计算程序。

此外,Q System One还配备了一系列独立的铝和钢统一框架,也有解耦系统的低温恒温器,控制电子设备和外壳,有助于避免潜在的振动干扰。

由于这些机器非常脆弱,未来的任何量子计算都可能通过互联网进行,从而使IBM能够在自己的设施中仔细维护这些机器。

IBM已经明确表示“IBM Q System One是量子计算商业化的重要一步”,并将于2019年下半年在纽约Poughkeepsie开设一家计算中心IBM Q Quantum Computation Center,扩展其商业化量子计算计划。

“这感觉像是我们这一代人的太空竞赛。”英特尔量子硬件主管吉姆•___(Jim Clarke)表示。

量子计算领域研究进展

在量子计算机领域里,除了IBM,谷歌也一直被视为“领头羊”。

2017年11月12日,IBM宣布成功研发出20量子位的量子计算机,并成功建成并测试全球首台50个量子比特的量子计算原型机。

2018年3月,谷歌宣布推出一款72个量子比特的通用量子计算机Bristlecone,实现了1%的低错误率,与9个量子比特的量子计算机持平。这仅仅比IBM曝光其50个量子比特量子原型机内部构造迟了一周。

Bristlecone另一个重要特征是仍然可以进行经典计算机模拟,这是目前验证量子计算机是否正确运行的唯一方法(因为可以交叉核对答案),而且可以在经典计算机上实现加速。

Google的物理学家John Martinis表示:“从目前我们所知道的情况来看,我们非常乐观。”Martinis说,如果一切运作良好,量子霸权可能会在几个月内实现。

业界公认当一台量子计算机的可操纵量子比特超过50时,即可拥有超越经典计算机的能力,实现"量子霸权"。

谷歌量子AI实验室(Google Quantum AI Lab)的目标是构建可用于解决现实世界问题的量子计算机。谷歌量子AI实验室指出,使用Bristlecone可以实现量子霸权,而且在这种水平上学习如何构建和操作设备会是一个令人兴奋的挑战。

由一位曾在IBM制造量子计算机的物理学家创立的Rigetti公司,尽管规模较小,但也对自己的研发能力抱有信心。

Rigetti的副总裁贝齐·马西洛(Betsy Masiello)说:“人们一直在问,我们是否能够建造出可以工作的量子计算机,并在规模上反复进行。”

“今天,在市场上,我们的回答是肯定的。我们可以制造它们,它们可以工作,我们可以在生产层面上以一种可重复的方式做到这一点。”

让我们把目光转回到国内,2017年11月,由武汉大学物理科学与技术学院袁声军教授、德国于利希超算中心金丰平研究员、Kristel Michielsen 教授和荷兰格罗宁根大学Hans De Raedt 教授组成的研究团队联合攻关,在中国国家超级计算无锡中心的超级计算机神威·太湖之光上实现了一系列通用量子计算机的模拟,实现45量子比特模拟。然后,在2017年12月,团队再次取得突破,实现了46量子比特模拟,创下了当时的世界纪录。

2018年7月3日,我国首次实现了18个量子比特纠缠,中国科学技术大学潘建伟院士及其同事陆朝阳、刘乃乐、汪喜林等通过调控6个光子的偏振、路径和轨道角动量3个自由度,在国际上首次实现18个光量子比特的纠缠,刷新了所有物理体系中最大纠缠态制备的世界纪录。

2018年年底,中国科学技术大学郭光灿院士团队宣布,基于对半导体及超导量子比特的长期研究,成功研制出一套精简、高效的量子计算机控制系统。这套被命名为本源量子测控一体机的系统,可以实现对量子芯片的操控并发挥其性能优势。

2018年12月6日,合肥本源量子公司发布我国首款量子计算机控制系统「OriginQ Quantum AIO」,并计划在未来三年左右推出量子计算机原型机。

2019年2月6日,中国科学技术大学杜江峰院士团队首次在室温大气条件下实现可编程量子处理器。该成果证明,量子计算可以脱离苛刻的运行环境,在常规环境中实现计算,并摆脱之前每进行一次运算就要改变硬件配置的模式,为量子计算的室温研究开辟了新的道路。

阿里巴巴旗下研究机构达摩院和腾讯、百度等国内科技巨头也都在积极攻关量子计算领域难题。

量子计算机将何时到来?

具有强大处理能力的量子计算机,将对现有计算机体系产生强大的冲击。

但科学家们预计,未来几年量子计算领域将会有适度的优越性展示,不过他们预计,这项技术要完成任何有意义的任务,还需要10年的时间。

中国现代国际关系研究院美国所学者李峥表示,量子计算机需要依托超导物质、超导环境来实现并运作。而目前,几乎任何一个国家都缺乏可实用的超导材料。虽然表面上各国在量子比特上存在一定差距,但实际上,量子计算技术都还远未达到可以商业化的水平。

大洋彼岸的___大学同样拥有量子研究机构,正在探索量子中继器。该校教授戴维·奥沙洛姆(David Awshalom)表示:“我们还没有做成,但我相信这将在未来几年发生。

中科院量子信息与量子科技创新研究院副研究员张文卓表示,我国预计在2020年左右实现“量子霸权”的科学目标。

美国国家科学、工程和医学学院发布的报告则认为,能够轻松破解当前主流加密算法的量子计算机未来10年内都不太可能出现,也很难预测何时会诞生实用型的量子计算机。

尽管IBM目前似乎领先一步,但这场比赛事实上才刚刚开始。展望未来,IBM想让量子计算机如摩尔定律一样迅速发展的野心是否能够实现仍是未知数。

有人说,一旦量子计算机成功,世界上便再无算法,因为世界上只会有一种算法,那就是“穷举”。

不妨一起期待一下那个充满想象和机遇的未来,或许它就在明天。

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