谷歌、IBM、英特尔、微软这波量子竞赛,赛事如何?
2019-11-21 10:35:23
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世界科学-头条号 

2019年10月,谷歌向世界展示了一幅超凡作品——Sycamore量子处理器(计算机)。这块集成了54个(实际使用53个)量子位的芯片,号称能在200秒内完成一项需要耗费人类已有的最强经典计算机一万年时间的任务。(详见:提出“量子霸权”概念的他,怎么看谷歌的量子计算机?)

这么一来,谷歌领先同行们几个身位,摘下所谓的“量子霸权”的招牌似乎顺利成章。但很快,谷歌的老对头IBM就出来揭底,他们表示谷歌忽悠的一万年任务交给优秀的经典计算机去做,实际上两天半足矣(他们取下量子霸权纯属扯臊)。

不管谷歌和IBM哪个没羞没臊,哪个真枪实弹,这场关于量子计算机的军备竞赛才刚刚开始。在制造出第一台真正有用的量子计算机之前,每一位竞争者都可能阴沟翻船,或是弯道超车,或是一骑绝尘……

除谷歌外,包括IBM、英特尔、微软以及众多初创公司在内的研究队伍都在开发量子计算机。同行们不是吃素的,在惊世骇俗的Sycamore周围,挺立着诸多其他巨头们所取得的里程碑式成果。

我们不妨来看一看几位头部大佬在量子竞赛里已取得卓著战绩以及他们后续会有的大动作。

技术活儿哪家更好?

所谓的量子计算机,或者说量子处理器,就是一块由量子位(quantum bits,简称qubits,代表量子计算器中的最小信息单位)组成的芯片。

各研究队伍都在致力于找出将量子位建构成量子计算机的最佳方法。如果有哪一家的建构方法可以脱颖而出,那么量子霸权的归属就会重新分配。

谷歌的量子计算机是通过超导量子位建构而来的:超导量子位由放置在绝缘体中的超导导线制成。在谷歌开始试验之前,研究者们对这种方法的了解已经很深入了,这为他们的成功奠定了一定基础。

但是超导量子位很大且很难缩小。50个量子位的集合是目前人们可以控制的尺度,但真正能派上用场的量子计算机可能需要上千甚至上百万个量子位。

英特尔正致力于研究超导量子位和自旋量子位。自旋量子位通过使用微波脉冲操纵电子的方向来展开工作。这些量子位可以在比其他类型量子位能承受的更高的温度下工作。而且它在当前电子设备间的集成可能更简单。英特尔公司的吉姆•克拉克(Jim Clarke)表示,自旋量子位的这些特点使得人们更容易增加其数量或减小其体积。

微软则决定选择另一种方法。不用超导量子位,也不用自旋量子位,而是借助依赖于准粒子的拓扑量子位。所谓的准粒子可以看作是一种行为表现像粒子的能量包。

德克萨斯大学奥斯汀分校的斯科特•亚伦森(Scott Aaronson)说道:“问题在于,人们需要创造出一种前所未有的新物质形式。”

有一些间接证据表明,准粒子是可以被创造出来的(尽管现阶段还无人实现)。拓扑量子位的好处在于,它们可以自然地纠正某些进入量子计算机的错误。

亚伦森表示:“对量子计算机的纠错是个比所谓的量子霸权更重大的技术难点,我们打算下一步实现这个技术。”

谷歌也对纠错技术虎视眈眈,他们麾下的量子物理学家约翰•马提尼斯(John Martinis)近期在新闻发布会上表示,该公司的研究人员将在未来一两年内进行纠错实验。

那接下来呢?我们大抵可以预料,超导量子位会继续升级,而与此同时,其他类型的量子位也将被制成够得上量子霸权的计算机。

再发展十几二十年,我们或许真的可以看到能进行有用计算的量子计算机。那所谓的有用计算是什么的计算呢?换句话说,它可以用来解决哪些人类的实际问题?

它能干啥用?

第一个用场很可能会派在化学领域。天才物理学家理查德•费曼(Richard Feynman)曾说:“自然不是古典的,如果您想模仿自然,那么最好将其量子化。”

化学反应中的分子或原子都在以不同方式相互作用着。如果你要把所有的相互作用都组合起来,然后以第一性的方式去模拟,那么不知其几千里也的超大计算体量就会让传统计算机算个不知其几千年也。崩溃是无法避免的,崩溃到摔电脑的那种。

但是,量子计算机特别擅长处理这种超大体量的相互作用组合。微软的研究人员表示,在经典计算机上模拟一个水分子需要16000位;但是量子计算机只需要24个量子位。

哈布二氏法(Haber-Bosch process)是一种通过氮气及氢气产生氨气的方法,为世界各地的农作物生产着肥料,但它目前还属于能源密集型的生产方式,其每年制造的二氧化碳排放占全球总量的1%。因此,化学家正在寻找更高效的替代方式。

善于让化学反应的模拟计算变得简单的量子计算,就可以在改进哈布二氏法,算出更优的氨气生产模型上大展拳脚。微软团队估计,仅100量子位的处理器就足以算出这个最优理论模型。

量子计算机也很有可能帮助我们更深入地理解超导现象。当电荷在没有阻力的情况下穿过材料时,这种奇特又有用的超导现象就会出现。超导可以极大地提高电力系统的效率。

但目前,我们只能在极冷的情况下制造超导材料,这需要大量能量,从而限制了其应用。通过不断尝试材料中原子相互作用的方式,量子计算机或许可以解锁出在更高温度下制造超导体的方法。

制药行业也可以从量子计算中受益。根据蛋白质分子链段与外力的相互作用来预测蛋白质如何折叠是药物设计中非常重要的一环。量子计算机可以大大缩短弄清不同蛋白质如何作用所需要的时间。世界各地的团队都在致力于研究能实现这一目标的量子算法。

昨天和明天

当然,以上所述的量子计算应用还处于探索阶段。传统计算机一开始被用于执行计算以及破解密码这样的技术任务,大约一个世纪之后,它以手提电脑的形式被装进了数十亿人的电脑包。

量子计算机从概念的提出到现在差不多发展40个年头了。按照目前态势来看,它还需要再经历几十年的时光才能惠及大众,短期内我们不能奢望它飞天遁地。西班牙格拉纳达大学的胡安•贝尔梅乔-维加(Juani Bermejo-Vega)表示:

“目前巨头们所鼓吹的‘霸权’这个词语让我们产生了一个错觉,那就是我们似乎已经实现了量子技术的革命。每个人都期望这些机器在未来五年内鲲鹏展翅惠泽全人类。但其实我们都还没正式开启量子计算的历史。未来五年该领域的增长是缓慢的。”

那么在过往的40年里,发生过哪些大事件呢?我们一起回顾一下:

1980年

保罗•贝尼奥夫(Paul Benioff)描述了计算机的第一个量子力学模型。该模型表明量子计算机在理论上是可能的。

1985年

大卫•德意志(David Deutsch)提出了通用量子计算机的概念:一种数学上理解量子计算机上可能发生的情况的方法。

1994年

彼得•索尔(Peter Shor)开发了Shor算法。Shor算法能帮助量子计算机比最佳经典算法更快地分解大量数据。

1995年

几位研究人员独立提出了第一种量子纠错方法。该方法可以自动修复在量子计算机中容易出现的错误。

1997年

首次证明了单光子的量子隐形传态。量子隐形传态指的是量子信息从一个地方传输到另一个地方。

1998年

牛津大学的研究人员首次在2量子位的量子计算机上运行量子算法。

2001年

IBM和斯坦福大学的一个团队在一个7量子位的量子计算机上使用Shor算法寻找15的因数。该计算机由数十亿个试管内的分子组成。

2009年

研究人员研发出了第一个电子量子处理器。该2量子位超导芯片由超导电子电路中的十亿多个铝原子构成。

2012年

约翰•普雷斯基尔(John Preskill)创造了“量子霸权”一词,用以描述量子计算机解决传统计算机无法解决的问题的潜力。

2013年

谷歌、NASA和美国大学太空研究协会宣布启动量子人工智能实验室。

2019年1月

IBM推出首款商用的量子计算机Q System One。Q System One由20个量子位组成。

2019年10月

谷歌发布Sycamore量子处理器。

40年发展把量子计算机推进了一个全新的高速轨道,对于未来,很多研究者都作出了之后40年内的预测:

2020年代

实现不同类型的量子计算机,例如用囚禁离子(trapped ions)或自旋量子位构成的量子计算机。

利用纠错算法创建出更加稳定、能进行更长的时间计算的量子计算机。

2030年代

量子计算机开始以与现在的经典计算机相同的方式投入使用,在化学、材料科学、药物设计以及金融服务等领域中发挥作用。

2040年代

量子计算机包含了数百万个量子位。这使它们能够破解当前大部分用于保护互联网安全的加密技术。

2050年代

量子计算开始走入人们的日常生活。一些应用会将它们的部分处理工作转移到云端的量子计算机。

而对于更遥远的未来,克拉克表示:“四五十年之后它还会变成啥样,那我也不知道了。”

资料来源:

Race for useful quantum devices has begun

What can we do with a quantum computer?

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