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当下量子计算整体格局:中国企业有待发力

2018-01-12 13:36    it168网站原创  作者: 谢涛 编辑: 谢涛

  【IT168 资讯】量子计算竞争格局将在2018年继续升温。从整体来看,如今量子计算的状态看起来很像50年前的半导体芯片行业。

  基于硅的集成电路(IC)在1968年进入了 “中规模”集成阶段。晶体管计数在短短几年内从一个芯片上的十个晶体管膨胀到一个芯片上的数百个晶体管。过了一段时间,数千个,然后是几万个,现在——50年之后——有数百亿。

当下量子计算整体格局:中国企业仍需努力

  量子计算是量子物理学的一个实际应用,它利用单个亚原子粒子作为计算元素,将其冷却到毫开尔文温度。这些亚原子计算元素称为“量子位”(量子比特)。量子位可以用CMOS技术制造,比如标准的IC。但是,在量子计算机极其寒冷的操作环境中,若要进行相互连接、控制和传感器电路来操作和协调越来越多的量子位,需要发展新的科学和技术。

当下量子计算整体格局:中国企业仍需努力
▲IBM 16-qubit处理器(来源:IBM)

  量子计算目前正处于量子位只有两位数的时代。2017年,我们看到了一个拥有20个通用物理量子位的芯片,而在2018年,我们估计会看到超过50个通用量子位的芯片。但第一个面向大众市场的通用量子计算机至少需要由数千个逻辑量子位组成。逻辑量子位是容错的,具有错误检测和最终纠错。成千上万的逻辑量子位会转化成至少十倍的物理量子位,这取决于物理的量子位体系结构,数量级可能会更高。

当下量子计算整体格局:中国企业仍需努力
▲IBM的量子计算机I/O子系统,用于在一个毫开尔文液氦浴中获取电信号(来源:TIRIAS研究)

  事实上,从数十到数百个物理量子位的进化可能需要一段时间;从数百到数千将需要更长的时间。专家们一致认为,一个具有数千个逻辑量子位的商业可部署量子计算机出现起码需要10年的时间,甚至可能在20年以后。真正商业化的“量子霸权”在很长一段时间内都难以实现。不过与此同时,许多供应商正在取得令人瞩目的进展。

  以下,将为大家介绍目前为止量子计算的进展。以此为参考,我们能够在未来一年里更清楚地认识到量子计算的进步。

  在量子系统之下

  IBM和Rigetti都引入了可用于公共和有限访问的通用基于云的量子计算机(分别为20和19个量子位系统),每个都有一个完整的软件开发工具包(devkit)。NTT推出了基于云的量子点和基于光子学的架构,并使用了它的全栈devkit。微软和谷歌推出了他们的通用量子计算研发项目,以及全栈的devkit和模拟器,但还没有公开展示硬件。英特尔展示了其原型芯片,但还没有展示出芯片实体。IonQ、Quantum Circuits和RIKEN正在投资硬件开发,但还没有对外展示他们的工作。然而,只有两家公司在为客户销售专用系统供本地使用,不过是否可以被称为量子计算机还存在争议:D-Wave的量子退火架构和Atos专用的量子模拟器。

  D-Wave和NTT实现了2,048个物理量子位,不过它们使用完全不同的技术来实现,而且它们的系统没有显示出完全通用的量子计算能力。它们的架构适用于解决优化、分子动力学、甚至深度学习训练和推理任务等问题。

当下量子计算整体格局:中国企业仍需努力
▲D-Wave量子计算芯片(来源:TIRIAS研究)

  量子计算模拟

  模拟数十个物理量子位需要大量的“传统”计算能力,相当于当今最先进的基于IC的计算、内存、存储和网络架构。这些“模拟机器”的运行速度可能比它们模拟的量子计算机要慢得多,研究人员实际上可以建立像他们目前模拟的那样大的真实系统。

  上周,来自Julich超算中心、武汉大学和 荷兰格罗宁根大学的一组研究人员成功地模拟了一个46量子位的通用量子计算机。这一模拟打破了美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室4月份创下的45量子位的记录。今年7月,美国哈佛-麻省理工学院(Harvard-MIT Center for Ultracold atom)和加州理工学院(California Institute of Technology)的一个团队模拟了51量子比特量子计算机,但它是为了解决一个特定的方程式,而不是通用模拟。去年11月,马里兰大学和美国国家标准与技术研究所(NIST)的一个团队在53量子位模拟器上发表了一篇论文,旨在解决一个具体的问题。

  与此同时,在云计算中,IBM在一个经典的超级计算机上模拟了一个56量子位的通用系统。微软的新量子开发工具包支持在其Azure云上模拟“超过40个量子位”,其本地基于PC的模拟可以扩展到16 GB内存中的大约30个量子位。我不得不怀疑微软Azure的量子计算模拟是否与它最近与Cray的合作关系有关。Rigetti的基于云的Forrest模拟器可以模拟多达36个量子位。谷歌的Quantum Playground 可以模拟多达22个量子位。

  通用芯片

  IBM在2017年末推出了它的20-qubit芯片,它是IBM Q Network 发布的基石。IBM表示已经在内部测试了一个50量子位芯片。IBM Q Network 的参与者可以访问新的20量子位系统,并且随着它的进展,他们将能够尽早访问50量子位芯片。英特尔在10月份向其合作伙伴QuTech交付了一个17量子位的测试芯片,并于2018年初在消费电子展(CES)上展示了一个49量子位芯片。Rigetti本周宣布它的19量子位芯片可用于云访问(访问需要得到Rigetti的批准)。Rigetti的芯片是一个20量子位架构,其中一个量子位有一个制造缺陷,它紧随IBM之后。谷歌已经在内部测试了6个、9个和20个量子位芯片,并且正在开发一个49量子位芯片,该芯片将在2017年底前交付使用,但并没有达到这个发布时间。

当下量子计算整体格局:中国企业仍需努力
▲Rigetti 20量子位芯片(左),谷歌6量子位芯片 (中),英特尔49量子位芯片(右)(来源:各自的制造商)

  Atos说它的40量子位模拟器基于英特尔的Xeon处理器,但专用硬件加速器“即将问世”。这并不新奇,因为IBM正在内部使用其Power系统在开发过程中模拟量子计算机。

  量子软件开发

  在软件方面,开源是非常关键的,研究人员在过去的几十年里一直在开源他们的内部量子计算开发环境。

  今年,IBM开放了它的QASM (Quantum ASseMbler),这是IBM QISKit(量子信息软件包)的一个重要组成部分。XACC (EXtreme scale ACCelerator)接口到Rigetti的模拟器和原型芯片,以及D-Wave的生产系统。QuTiP (Python的量子工具箱)是一种开源的量子计算模拟器,在很多量子计算硬件社区中使用(对阿里巴巴、亚马逊、谷歌、霍尼韦尔、IBM、英特尔、微软、Northrup Grumman、Rigetti和RIKEN都在其网站上出现)。据推测,QuTiP正被用于模拟正在开发的硬件架构。谷歌与Rigetti合作开发了开源OpenFermion,这是一个用于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)量子计算语言。相关的软件还有很多,这里不再一一赘述。

  关于中国

  中国今年刚宣布成立了一个100亿美元的国家量子信息科学实验室,计划于2020年完成建设。不过中国企业在量子计算商业化方面的突破性成果相对较少,阿里巴巴、百度和腾讯等都在人工智能和深度学习方面投入了大量资金,但很少听到在量子计算方面有大量投入的,希望在今年能听到更多他们关于量子计算的消息。

  未来

  实现量子计算商业化,我们还有很长的路要走。途中,可能某个企业/组织会有一些暂时的优势,但随着大量投资进入量子计算研发领域,任何一个竞争对手的短期量子优势都会在没有持续、长期的研发和商业化战略的情况下转瞬即逝。

  如今的量子计算领域一片繁荣,在2018年,我们可能会看到50或更多量子位的通用系统。我们可能还会看到一些更专门化的系统,拥有超过2000个物理量子位,在解决某一范围内的问题时突出量子计算的重大优势。

标签: 量子计算 , 芯片
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