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2018世界量子计算竞争格局

2018-01-23

2018年,量子计算的竞争持续升温。而今的量子计算格局看起来很像50年前的半导体格局。


1968年硅基集成电路(IC)进入“中等规模”集成阶段。短短几年内,一个芯片上的晶体管数量从十多个迅速增加到数百个,继而又扩充到成千上万个,一直在增长,五十年后的今天,一个芯片上的晶体管数目已经达到数百亿个。


量子计算是量子物理学的一个实际应用,它使用温度冷却到毫开尔文的单亚原子粒子作为计算单位。这些亚原子计算单位被称为“量子比特”。量子比特可以用CMOS技术制造,就像标准的硅基集成电路一样。但是量子计算机的正常运行必须在极低温的环境中操纵且需要协调越来越多相互纠缠的量子比特以及传感器电路,这些都依赖于新的科学和技术发展。


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图:IBM公司的16量子比特处理器


量子计算目前处于两位数量子比特时代。2017年,我们已经制造了具有20个通用物理量子比特的芯片,到2018年,我们会看到有超过50个通用量子比特的芯片。但是第一台市场通用型量子计算机需要由数千个逻辑量子比特构建而成。 逻辑量子比特是容错的,能够自行检测并最终纠正错误。数千个逻辑量子比特至少可以转化成数万个物理量子比特,这主要依赖物理量子比特构架以及更多的数量级指令。


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图:IBM的量子计算机I/O 子系统,用于获取进出毫开尔文液氦缸的电子信号


事实上,从几十到几百个物理量子比特的进展可能需要一段时间; 从数百到数千则需要更长的时间。专家认为,建造一台具有数千个逻辑量子比特的商业化量子计算机还需十多年甚至二十多年的时间。不过此前一直提到的“量子霸权”不久就能实现。同时,许多供应商也都取得了令人瞩目的进展。


下面2018年初量子计算的阶段性成果记录,目前处于快速扩张阶段,因为数量范围还比较小,很容易实现快速增长。


量子系统的发展现状


IBM和Rigetti分别推出了20和19量子比特系统的通用型云量子计算机,公开部分访问权,每个都有一个全栈软件开发工具包(devkit)。日本NTT也推出了基于云的量子点和基于光子学的体系结构及其全栈开发工具包。微软和谷歌推出了他们的通用量子计算研发计划以及全栈开发和模拟器,但尚未公开展示硬件设备。英特尔最近展示了其最新研发的原型芯片。IonQ、Quantum Circuits等初创企业和日本理化研究所(RIKEN)也正在投资硬件开发,不过目前他们尚未公开研发成果。然而,目前只有两家公司正在销售供客户使用的专用系统,可以称为量子计算机:D-Wave的量子退火机和Atos的专用量子模拟器。


D-Wave和NTT实现了2048个物理量子比特,尽管他们使用的是完全不同的技术,不过两个系统都没有显示出通用量子计算的全部能力。他们目前的架构仅适用于解决优化问题、分子动力学、深度学习训练和推理等。


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图:D-Wave的量子计算芯片


模拟量子的发展概述


模拟数十个物理量子比特需要大量的“经典”计算能力,这意味着需要用到当今最先进的基于IC的计算、存储器、存储和网络体系结构。这些软件仿真可能比他们模拟的量子计算机运行速度慢几个数量级,研究人员是否可以构建与当前仿真一样强大的真实量子计算系统呢?


上周,来自Jülich超级计算中心、武汉大学和格罗宁根大学的欧洲研究人员成功地模拟了一个46量子比特的通用量子计算机。这个模拟打破了美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室去年4月份实现的45量子比特记录。今年7月,哈佛 - 麻省理工学院超冷原子中心和加州理工学院的一个美国小组模拟了一个51量子比特的量子计算机,但它是为了解决一个特定的方程而建立的,而不是一个通用的模拟。去年11月,马里兰大学和美国国家标准与技术研究院(NIST)的一个小组发表了一篇关于53量子比特模拟器的论文,其目的也是为了解决具体的问题而非通用问题。


同时,云系统模拟也在不断升级,IBM在一台经典的超级计算机上模拟了一个56量子比特的通用系统,不过向公众开放的只有16量子比特系统。微软新推出的量子开发套件支持在其Azure云中模拟40多个量子比特,其本地基于PC的模拟可以在16GB内存中扩展到大约30个量子量子比特。微软的Azure量子计算模拟很可能与它最近与Cray的合作关系密切。Rigetti的Forrest云平台模拟器可以模拟多达36个量子比特。 Google的Quantum Playground可以模拟22个量子比特。


通用芯片的研发脉络


IBM在2017年底推出了20量子比特芯片,这是IBM Q云平台的一个里程碑。IBM表示,他们公司已经构建并在内部测试了一个50量子比特的芯片。IBM Q云平台的客户可以访问最新的20量子比特系统,随着研发的不断深入,后期也将及早访问50量子比特芯片。英特尔在去年10月向合作伙伴QuTech交付了一个17量子比特的测试芯片,并在2018年初在消费电子展(CES)上展示了一个49量子比特的芯片。上周,Rigetti公司公布了其19量子比特芯片可用于云访问(访问需要由Rigetti批准)。Rigetti的芯片本来是20量子比特,其中一个量子比特具有制造缺陷。谷歌已经陆续在内部测试了6个、9个和20个量子比特芯片以及最新展示的49量子比特芯片。


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图:Rigetti的20量子比特硅芯片(左)、谷歌的6量子比特芯片(中)以及英特尔的49量子比特芯片(右)。


Atos表示该公司目前的40量子比特模拟器是基于Intel Xeon处理器的,不过即将推出专用硬件加速器。这并不奇怪,因为IBM在模拟量子计算机的开发过程中也利用其Power Systems。


量子软件开发进程


在软件方面,为了吸引学术研究人员投身于具体的体系结构,必须开放源代码的关键部分,因为这些研究人员在过去的几十年里一直都只是在各自的内部范围分享交流量子计算开发成果。


今年,IBM开源了QASM(Quantum ASseMbler),这是IBM量子信息软件包(QISKit)的一个关键组件。XACC加速器(EXtreme scale ACCelerator)与Rigetti的模拟器和原型芯片以及D-Wave的生产系统相连接。QuTiP(Quantum Toolbox in Python)是量子计算硬件社区中使用的开源量子计算模拟器。该社区参与者包括阿里巴巴、亚马逊、谷歌、霍尼韦尔、IBM、英特尔、微软、诺斯鲁普·格鲁曼、Rigetti和日本理化研究所(RIKEN)等知名机构。据推测,QuTiP正被用来模拟正在开发的硬件架构。Google与Rigetti合作开源OpenFermion,这是一个编译和分析量子化学问题的软件包。 而微软则推出了Q#(Q-sharp)量子计算编程语言。


中国什么动静?


说了这么多国外的量子计算研发动态,所谓“知彼知己”,那么我们自己现在处于怎样的状况呢?


由于中国很少公布量子计算机出版物和公告,所以一直引人注目。今年中国宣布建立价值100亿美元的量子信息科学国家实验室,计划在2020年开放。阿里巴巴、百度和腾讯都投入了大量资金和人才在人工智能和深度学习领域,所以国外一直期望听到更多关于我们中国对量子的开年计划。


最近的重磅消息

微软公开量子开发套件

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图:微软的马约拉纳费米子量子计算芯片


但是,在其隆重推出马约拉纳费米子量子计算芯片之后,微软一直对其硬件进展保持沉默。相反,微软却投身于Q#编程语言的量子模拟,并集成到其Visual Studio集成开发环境(IDE)和量子计算机模拟工具上,包括跟踪模拟器,用来分析资源利用率、数据库、代码样本和其他更全面的文件。


微软的此次公告很重要,因为使用Visual Studio IDE的企业软件开发人员数量众多。这是一款成熟、高效的工具包。 将量子计算集成到Visual Studio中可能会从开源IDE中吸引新一代的学术研究人员,就像Nvidia通过其CUDA应用程序编程接口(API)和工具包所能够实现的GPU编程一样。



IBM公布Q Network

IBM的Q Network的体验用户多是研究生、学术研究人员和商业研究人员。不管是在提供基础设施层面还是在理解如何编程量子计算机以解决问题层面,量子计算都还处于实验阶段。


IBM表示,Q Experience工具被1500多所大学、300所私立教育机构和300所高中用作物理课程的一部分。这就像Nvidia利用CUDA工具推广教育拓展战略一样。IBM声称有35家第三方研究出版物使用了Q Experience工具,这突显了量子计算早期研究人员正在进行的激烈竞争。


量子计算路向何方


实现量子计算的商业化还有很长的路要走。这一路上肯定会出现一些暂时的优势。但随着量子计算研发的投入增加,如果没有长期可持续的研发和商业化战略,任何一个竞争对手的短期量子优势都将不复存在。


专家表示,如果我们在2018年看不到具有50个或更多通用量子比特的系统,会感到不可思议。他们认为还会出现一些具有超过2000个物理量子比特的更专业化的系统在特定问题领域显示出量子优势。


(来源:量子计算最前沿)

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