量子計算像1968年的半導體一樣進入2018年

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

　　硅基集成電路(IC)于1968年進入其“中等規(guī)模”集成階段。短短幾年內，晶體管的計數(shù)從一個芯片上的十個晶體管到一個芯片上的數(shù)百個晶體管。過了一段時間，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)在我們已經有五十年了，已經有數(shù)百億。

　　量子計算是量子物理學的一個實際應用，它使用單個的亞原子粒子作為計算元素來冷卻毫米溫度。這些亞原子計算元件被稱為“量子位”.Qubits可以使用CMOS技術制造，如標準IC。但是，在量子計算機的嚴酷寒冷的操作環(huán)境中操縱和協(xié)調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和技術發(fā)展。

　　量子計算正在享受其兩位數(shù)的量子時代。在2017年，我們看到了一個具有20個通用物理量子位的芯片，并且在2018年我認為我們將看到具有超過50個通用量子位的芯片。但是第一個大眾市場通用量子計算機將從數(shù)千個邏輯量子位構建而成。邏輯量子位是容錯的，具有錯誤檢測并最終糾錯。數(shù)以千計的邏輯量子位至少轉換成數(shù)以萬計的物理量子位，這取決于物理量子位構架的數(shù)量級可能更大。

　　事實上，從數(shù)十到數(shù)百個物理量子位的演變可能需要一段時間; 從數(shù)百到數(shù)千將需要更長的時間。專家們認為，具有數(shù)千個邏輯量子位的可商業(yè)部署的量子計算機還需要十多年的發(fā)展，并有可能超過二十年。“量子霸權”將不會長久。同時，許多供應商正在取得令人矚目的進展

　　這是2018年初量子計算的記分卡。它處于快速擴張階段，但當數(shù)量很小時，快速增長很容易。

　　量子系統(tǒng)下

　　IBM和Rigetti都推出了基于云計算的通用型量子計算機，用于公共訪問和有限訪問(分別為20和19位系統(tǒng))，每個系統(tǒng)都有一個完整的軟件開發(fā)工具包(devkit)。NTT推出了基于云的量子點和基于光子學的架構及其全堆棧開發(fā)套件。微軟和谷歌推出了他們的通用量子計算研發(fā)計劃以及全堆棧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)可以被稱為量子計算機：

　　D-Wave和NTT實現(xiàn)了2,048個物理量子比特，盡管他們使用完全不同的技術來完成這個任務，而他們的系統(tǒng)并沒有顯示出完整的通用量子計算功能。他們的架構適合于解決優(yōu)化，分子動力學甚至深度學習訓練和推理任務中的一些問題。

　　量子鐵的模擬

　　模擬數(shù)十個物理量子位需要大量“經典”計算能力，這意味著當今最先進的基于IC的計算，存儲器，存儲和網(wǎng)絡體系結構。這些軟件仿真可能比他們模擬的量子計算機運行速度慢幾個數(shù)量級，研究人員是否可以真正構建與當前仿真一樣大的真實系統(tǒng)。

　　上周，來自Jülich超級計算中心，武漢大學和格羅寧根大學的歐洲研究人員成功模擬了一臺46-qubit通用量子計算機。這種模擬打破了美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室4月份發(fā)布的45-quibit記錄。今年7月，來自哈佛 - 麻省理工學院超冷原子中心的美國團隊和加州理工學院模擬了一個51-qubit量子計算機，但它是為了解決一個特定的方程而建立的，并不是一個通用的模擬。去年11月，馬里蘭大學和美國國家標準與技術研究院(NIST)的一個小組發(fā)表了一篇關于53-qubit模擬器的論文，該論文也是為了解決一個具體問題。

　　同時，在云中，IBM在經典的超級計算機上內部模擬了一個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個量子位”，其本地基于PC的模擬可以在16 GB內存中擴展至大約30個量子位。我不得不懷疑微軟的Azure量子計算模擬是否與它最近與Cray的合作有關。Rigetti的基于云的Forrest模擬器可以模擬多達36個量子位。Google的Quantum Playground可以模擬多達22個量子位。

　　通用芯片

　　IBM在2017年末推出了20-qubit芯片，這是IBM Q網(wǎng)絡宣布的基石(請閱讀下面的Q網(wǎng)絡公告)。IBM表示它已經構建并在內部測試了一個50-qubit芯片。IBM Q網(wǎng)絡參與者可以訪問新的20-qubit系統(tǒng)，并且隨著其進展，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測試芯片，并在2018年初在消費電子展(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)。Rigetti的芯片是一個20-qubit架構，其中一個量子位具有制造缺陷; 它落后于IBM。谷歌已經在內部測試了六個，九個和二十個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處理器，但專用硬件加速器“即將推出”。這并不奇怪，因為IBM正在內部使用其Power Systems在開發(fā)過程中模擬量子計算機。

　　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部量子計算開發(fā)環(huán)境，因此開放源代碼的關鍵部分是強制性的，以吸引學術研究人員參與特定架構。

　　今年，IBM開源QASM(Quantum ASseMbler)，這是IBM QISKit(量子信息軟件包)的關鍵組件。XACC(極限稱重ACCelerator)與Rigetti的模擬器和原型芯片以及D-Wave的生產系統(tǒng)相連接。QuTiP(Quantum Toolbox in Python)是量子計算硬件社區(qū)廣泛使用的開源量子計算模擬器(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的標志出現(xiàn)在其網(wǎng)站上)。據(jù)推測，QuTiP正被用來模擬正在開發(fā)的硬件架構。谷歌與Rigetti合作開源OpenFermion，這是一個編譯和分析量子化學問題的軟件包。微軟推出了Q#(“Q-sharp”)量子計算語言(請閱讀下面有關微軟的更多信息)。

　　關于中國呢?

　　中國公司由于缺少量子計算機出版物和公告而引人注目。今年中國宣布了價值100億美元的量子信息科學國家實驗室，計劃于2020年開放。阿里巴巴，百度和騰訊都在AI和深度學習方面投入了大量資金，所以我期望能夠聽到更多關于他們對量子的興趣計算明年。

　　最近的大公告

　　微軟宣布量子開發(fā)套件

　　微軟在2000年開始從事量子計算工作，直到2000年。在9月份的Ignite活動中，微軟宣布將其量子計算計劃基于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濟，只有10個物理量子比特到一個邏輯量子比特，而不是數(shù)千或更多。

　　但是，在它的大型Majorana Fermion推出之后，微軟一直對其硬件進展保持沉默。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)和量子計算機模擬工具中，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擴展，自2011年的“Sandy Bridge”處理器世代以來，英特爾處理器支持該擴展。微軟今年也宣布了它的項目“腦波”基于FPGA的AI加速器，并暗示它正在Brainwave上運行“量子啟發(fā)優(yōu)化”。我的猜測是，微軟正在優(yōu)化Brainwave的FPGA深度神經網(wǎng)絡(DNN)邏輯，以提高深度學習模型的準確性和/或速度。

　　微軟的聲明很重要，因為使用Visual Studio IDE的企業(yè)軟件開發(fā)人員眾多。這是一個成熟，高效的工具包。將量子計算集成到Visual Studio中可能會吸引新一代學術研究人員遠離開源IDE，就像Nvidia通過其CUDA應用程序編程接口(API)和工具包對GPU編程所做的一樣。

　　IBM宣布Q網(wǎng)絡

　　IBM已經推出了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)絡生態(tài)系統(tǒng)開發(fā)計劃。IBM并未談論成員級別，但成員資格似乎基于支付能力和對IBM量子生態(tài)系統(tǒng)潛在貢獻的可能性進行擴展。

　　訪問IBM的量子計算資源非常簡單; 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間。有三種類型的會員，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)：慶應義塾大學，墨爾本大學，橡樹嶺國家實驗室(ORNL)，牛津大學和IBM研究院

　　合作伙伴(特定行業(yè)或學術領域的先驅)：戴姆勒，摩根大通公司，JSR和三星

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

　　IBM Q網(wǎng)絡和更大的IBM Q體驗用戶群中的目標用戶是研究生，學術研究人員和商業(yè)研究人員。量子計算仍處于實驗階段，無論是提供基礎設施還是理解如何編程量子計算機來解決有用的問題。量子計算今天被發(fā)現(xiàn)和啟發(fā)式統(tǒng)治。

　　IBM表示，其Q經驗工具被超過1500所大學，300所私立教育機構和300所高中用作物理課程的一部分。這也是Nvidia用CUDA工具進行教育推廣的成功策略。IBM宣稱有35個第三方研究刊物使用Q體驗工具，這個數(shù)字令人印象深刻，突顯了量子計算早期階段正在進行的研究人員關注的激烈競爭。

　　從哪里來?

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

　　如果我們在2018年看不到具有50個或更多通用量子比特的系統(tǒng)，我們將會感到驚訝。我們認為我們還會看到一些已經具有超過2000個物理量子比特的更專業(yè)系統(tǒng)在受限問題域內顯示出顯著的量子優(yōu)勢。我們計劃在3月份參加量子通信，測量和計算國際會議(QCMC)，以便在量子計算的研究方面保持最新狀態(tài)。