量子計(jì)算像1968年的半導(dǎo)體一樣進(jìn)入2018年

　　量子計(jì)算的競爭格局在2018年初持續(xù)升溫。但是今天的量子計(jì)算格局看起來很像50年前的半導(dǎo)體格局。

　　硅基集成電路(IC)于1968年進(jìn)入其“中等規(guī)模”集成階段。短短幾年內(nèi)，晶體管的計(jì)數(shù)從一個(gè)芯片上的十個(gè)晶體管到一個(gè)芯片上的數(shù)百個(gè)晶體管。過了一段時(shí)間，芯片上有成千上萬的晶體管，然后是成千上萬的晶體管，現(xiàn)在我們已經(jīng)有五十年了，已經(jīng)有數(shù)百億。

　　量子計(jì)算是量子物理學(xué)的一個(gè)實(shí)際應(yīng)用，它使用單個(gè)的亞原子粒子作為計(jì)算元素來冷卻毫米溫度。這些亞原子計(jì)算元件被稱為“量子位”.Qubits可以使用CMOS技術(shù)制造，如標(biāo)準(zhǔn)IC。但是，在量子計(jì)算機(jī)的嚴(yán)酷寒冷的操作環(huán)境中操縱和協(xié)調(diào)越來越多的量子位所需的互連，控制和傳感器電路需要新的科學(xué)和技術(shù)發(fā)展。

　　量子計(jì)算正在享受其兩位數(shù)的量子時(shí)代。在2017年，我們看到了一個(gè)具有20個(gè)通用物理量子位的芯片，并且在2018年我認(rèn)為我們將看到具有超過50個(gè)通用量子位的芯片。但是第一個(gè)大眾市場通用量子計(jì)算機(jī)將從數(shù)千個(gè)邏輯量子位構(gòu)建而成。邏輯量子位是容錯(cuò)的，具有錯(cuò)誤檢測(cè)并最終糾錯(cuò)。數(shù)以千計(jì)的邏輯量子位至少轉(zhuǎn)換成數(shù)以萬計(jì)的物理量子位，這取決于物理量子位構(gòu)架的數(shù)量級(jí)可能更大。

　　事實(shí)上，從數(shù)十到數(shù)百個(gè)物理量子位的演變可能需要一段時(shí)間; 從數(shù)百到數(shù)千將需要更長的時(shí)間。專家們認(rèn)為，具有數(shù)千個(gè)邏輯量子位的可商業(yè)部署的量子計(jì)算機(jī)還需要十多年的發(fā)展，并有可能超過二十年。“量子霸權(quán)”將不會(huì)長久。同時(shí)，許多供應(yīng)商正在取得令人矚目的進(jìn)展

　　這是2018年初量子計(jì)算的記分卡。它處于快速擴(kuò)張階段，但當(dāng)數(shù)量很小時(shí)，快速增長很容易。

　　量子系統(tǒng)下

　　IBM和Rigetti都推出了基于云計(jì)算的通用型量子計(jì)算機(jī)，用于公共訪問和有限訪問(分別為20和19位系統(tǒng))，每個(gè)系統(tǒng)都有一個(gè)完整的軟件開發(fā)工具包(devkit)。NTT推出了基于云的量子點(diǎn)和基于光子學(xué)的架構(gòu)及其全堆棧開發(fā)套件。微軟和谷歌推出了他們的通用量子計(jì)算研發(fā)計(jì)劃以及全堆棧devkits和模擬器，但尚未公開演示硬件。英特爾正在展示原型芯片，但尚未展示它們。IonQ，Quantum Circuits和RIKEN正在投資硬件開發(fā)，但尚未展示其工作。然而，只有兩家公司正在銷售用于客戶使用的專用系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以被稱為量子計(jì)算機(jī)：

　　D-Wave和NTT實(shí)現(xiàn)了2,048個(gè)物理量子比特，盡管他們使用完全不同的技術(shù)來完成這個(gè)任務(wù)，而他們的系統(tǒng)并沒有顯示出完整的通用量子計(jì)算功能。他們的架構(gòu)適合于解決優(yōu)化，分子動(dòng)力學(xué)甚至深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練和推理任務(wù)中的一些問題。

　　量子鐵的模擬

　　模擬數(shù)十個(gè)物理量子位需要大量“經(jīng)典”計(jì)算能力，這意味著當(dāng)今最先進(jìn)的基于IC的計(jì)算，存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。這些軟件仿真可能比他們模擬的量子計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度慢幾個(gè)數(shù)量級(jí)，研究人員是否可以真正構(gòu)建與當(dāng)前仿真一樣大的真實(shí)系統(tǒng)。

　　上周，來自Jülich超級(jí)計(jì)算中心，武漢大學(xué)和格羅寧根大學(xué)的歐洲研究人員成功模擬了一臺(tái)46-qubit通用量子計(jì)算機(jī)。這種模擬打破了美國能源部勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室4月份發(fā)布的45-quibit記錄。今年7月，來自哈佛 - 麻省理工學(xué)院超冷原子中心的美國團(tuán)隊(duì)和加州理工學(xué)院模擬了一個(gè)51-qubit量子計(jì)算機(jī)，但它是為了解決一個(gè)特定的方程而建立的，并不是一個(gè)通用的模擬。去年11月，馬里蘭大學(xué)和美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)的一個(gè)小組發(fā)表了一篇關(guān)于53-qubit模擬器的論文，該論文也是為了解決一個(gè)具體問題。

　　同時(shí)，在云中，IBM在經(jīng)典的超級(jí)計(jì)算機(jī)上內(nèi)部模擬了一個(gè)56-qubit通用系統(tǒng)。然而，公眾可以獲得16-qubit系統(tǒng)，看起來IBM似乎并不重視新Q網(wǎng)絡(luò)程序之外的最終用戶模擬。微軟新推出的量子開發(fā)套件支持在其Azure云中模擬“超過40個(gè)量子位”，其本地基于PC的模擬可以在16 GB內(nèi)存中擴(kuò)展至大約30個(gè)量子位。我不得不懷疑微軟的Azure量子計(jì)算模擬是否與它最近與Cray的合作有關(guān)。Rigetti的基于云的Forrest模擬器可以模擬多達(dá)36個(gè)量子位。Google的Quantum Playground可以模擬多達(dá)22個(gè)量子位。

　　通用芯片

　　IBM在2017年末推出了20-qubit芯片，這是IBM Q網(wǎng)絡(luò)宣布的基石(請(qǐng)閱讀下面的Q網(wǎng)絡(luò)公告)。IBM表示它已經(jīng)構(gòu)建并在內(nèi)部測(cè)試了一個(gè)50-qubit芯片。IBM Q網(wǎng)絡(luò)參與者可以訪問新的20-qubit系統(tǒng)，并且隨著其進(jìn)展，將可以及早訪問50-qubit芯片。英特爾在10月份向其合作伙伴QuTech交付了17-qubit測(cè)試芯片，并在2018年初在消費(fèi)電子展(CES)上展示了49-qubit芯片。Rigetti本周宣布，其19位芯片可用于云訪問(訪問需要Rigetti的批準(zhǔn))。Rigetti的芯片是一個(gè)20-qubit架構(gòu)，其中一個(gè)量子位具有制造缺陷; 它落后于IBM。谷歌已經(jīng)在內(nèi)部測(cè)試了六個(gè)，九個(gè)和二十個(gè)qubit芯片，

　　Rigetti 20-qubit芯片(左)，Google 6-qubit芯片加載體(中)，英特爾49-qubit載體(右)(來源：各廠商)

　　Atos表示其40-qubit模擬器基于英特爾至強(qiáng)處理器，但專用硬件加速器“即將推出”。這并不奇怪，因?yàn)镮BM正在內(nèi)部使用其Power Systems在開發(fā)過程中模擬量子計(jì)算機(jī)。

　　量子軟件開發(fā)

　　在軟件方面，由于這些研究人員過去幾十年來一直在開放其內(nèi)部量子計(jì)算開發(fā)環(huán)境，因此開放源代碼的關(guān)鍵部分是強(qiáng)制性的，以吸引學(xué)術(shù)研究人員參與特定架構(gòu)。

　　今年，IBM開源QASM(Quantum ASseMbler)，這是IBM QISKit(量子信息軟件包)的關(guān)鍵組件。XACC(極限稱重ACCelerator)與Rigetti的模擬器和原型芯片以及D-Wave的生產(chǎn)系統(tǒng)相連接。QuTiP(Quantum Toolbox in Python)是量子計(jì)算硬件社區(qū)廣泛使用的開源量子計(jì)算模擬器(阿里巴巴，亞馬遜，谷歌，霍尼韋爾，IBM，英特爾，微軟，諾斯魯普格魯曼，Rigetti和RIKEN的標(biāo)志出現(xiàn)在其網(wǎng)站上)。據(jù)推測(cè)，QuTiP正被用來模擬正在開發(fā)的硬件架構(gòu)。谷歌與Rigetti合作開源OpenFermion，這是一個(gè)編譯和分析量子化學(xué)問題的軟件包。微軟推出了Q#(“Q-sharp”)量子計(jì)算語言(請(qǐng)閱讀下面有關(guān)微軟的更多信息)。

　　關(guān)于中國呢?

　　中國公司由于缺少量子計(jì)算機(jī)出版物和公告而引人注目。今年中國宣布了價(jià)值100億美元的量子信息科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室，計(jì)劃于2020年開放。阿里巴巴，百度和騰訊都在AI和深度學(xué)習(xí)方面投入了大量資金，所以我期望能夠聽到更多關(guān)于他們對(duì)量子的興趣計(jì)算明年。

　　最近的大公告

　　微軟宣布量子開發(fā)套件

　　微軟在2000年開始從事量子計(jì)算工作，直到2000年。在9月份的Ignite活動(dòng)中，微軟宣布將其量子計(jì)算計(jì)劃基于2012年發(fā)現(xiàn)的Majorana Fermions。如果微軟能夠利用Majorana Fermions，量子比特可能比其他量子比特更經(jīng)濟(jì)，只有10個(gè)物理量子比特到一個(gè)邏輯量子比特，而不是數(shù)千或更多。

　　但是，在它的大型Majorana Fermion推出之后，微軟一直對(duì)其硬件進(jìn)展保持沉默。相反，微軟專注于量子模擬其新的Q#語言，并將其緊密集成到其Visual Studio集成開發(fā)環(huán)境(IDE)和量子計(jì)算機(jī)模擬工具中，其中包括用于分析資源利用率的追蹤模擬器，以及大量庫，代碼示例，和全面的文件。

　　微軟的量子模擬器使用英特爾的AVX擴(kuò)展，自2011年的“Sandy Bridge”處理器世代以來，英特爾處理器支持該擴(kuò)展。微軟今年也宣布了它的項(xiàng)目“腦波”基于FPGA的AI加速器，并暗示它正在Brainwave上運(yùn)行“量子啟發(fā)優(yōu)化”。我的猜測(cè)是，微軟正在優(yōu)化Brainwave的FPGA深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(DNN)邏輯，以提高深度學(xué)習(xí)模型的準(zhǔn)確性和/或速度。

　　微軟的聲明很重要，因?yàn)槭褂肰isual Studio IDE的企業(yè)軟件開發(fā)人員眾多。這是一個(gè)成熟，高效的工具包。將量子計(jì)算集成到Visual Studio中可能會(huì)吸引新一代學(xué)術(shù)研究人員遠(yuǎn)離開源IDE，就像Nvidia通過其CUDA應(yīng)用程序編程接口(API)和工具包對(duì)GPU編程所做的一樣。

　　IBM宣布Q網(wǎng)絡(luò)

　　IBM已經(jīng)推出了QISKit API和devkit，供開發(fā)人員訪問IBM基于云的Quantum Experience和本地模擬器。去年12月，IBM推出了Q網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)開發(fā)計(jì)劃。IBM并未談?wù)摮蓡T級(jí)別，但成員資格似乎基于支付能力和對(duì)IBM量子生態(tài)系統(tǒng)潛在貢獻(xiàn)的可能性進(jìn)行擴(kuò)展。

　　訪問IBM的量子計(jì)算資源非常簡單; 一般訪問將始終是Q Network參與者訪問硬件和訪問最新開發(fā)資源所需的一兩代時(shí)間。有三種類型的會(huì)員，公布的參與者是：

　　集散地(教育，研究，開發(fā)和商業(yè)化區(qū)域中心)：慶應(yīng)義塾大學(xué)，墨爾本大學(xué)，橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)，牛津大學(xué)和IBM研究院

　　合作伙伴(特定行業(yè)或?qū)W術(shù)領(lǐng)域的先驅(qū))：戴姆勒，摩根大通公司，JSR和三星

　　成員(制定量子準(zhǔn)備戰(zhàn)略)：巴克萊，本田，Materials Magic(日立金屬集團(tuán))和長瀨

　　IBM Q網(wǎng)絡(luò)和更大的IBM Q體驗(yàn)用戶群中的目標(biāo)用戶是研究生，學(xué)術(shù)研究人員和商業(yè)研究人員。量子計(jì)算仍處于實(shí)驗(yàn)階段，無論是提供基礎(chǔ)設(shè)施還是理解如何編程量子計(jì)算機(jī)來解決有用的問題。量子計(jì)算今天被發(fā)現(xiàn)和啟發(fā)式統(tǒng)治。

　　IBM表示，其Q經(jīng)驗(yàn)工具被超過1500所大學(xué)，300所私立教育機(jī)構(gòu)和300所高中用作物理課程的一部分。這也是Nvidia用CUDA工具進(jìn)行教育推廣的成功策略。IBM宣稱有35個(gè)第三方研究刊物使用Q體驗(yàn)工具，這個(gè)數(shù)字令人印象深刻，突顯了量子計(jì)算早期階段正在進(jìn)行的研究人員關(guān)注的激烈競爭。

　　從哪里來?

　　量子計(jì)算的商業(yè)化還有很長的路要走。沿途會(huì)有一些暫時(shí)的優(yōu)勢(shì)。但隨著投入量子計(jì)算研發(fā)的大量投入，任何一個(gè)量子計(jì)算競爭者的短期量子優(yōu)勢(shì)都將短暫流逝，如果沒有持續(xù)的長期研發(fā)和商業(yè)化戰(zhàn)略的話。

　　如果我們?cè)?018年看不到具有50個(gè)或更多通用量子比特的系統(tǒng)，我們將會(huì)感到驚訝。我們認(rèn)為我們還會(huì)看到一些已經(jīng)具有超過2000個(gè)物理量子比特的更專業(yè)系統(tǒng)在受限問題域內(nèi)顯示出顯著的量子優(yōu)勢(shì)。我們計(jì)劃在3月份參加量子通信，測(cè)量和計(jì)算國際會(huì)議(QCMC)，以便在量子計(jì)算的研究方面保持最新狀態(tài)。