量子算力争霸再迎赛点:瞄准新纪录,IBM称全球首台53位量子计算机商用就绪

原标题:量子算力争霸再迎赛点:瞄准新纪录,IBM称全球首台53位量子计算机商用就绪

据 TechCrunch 报道,IBM 推出了53 量子位的量子计算机,是IBM 目前算力最强的量子计算机,将成为 IBM 的新量子计算中心的一部分。IBM 称量子计算客户可以在今年 10 月在线使用该系统。

IBM 的新量子计算中心位于纽约州,在今年一月宣布成立,是 IBM 量子计算机的数据中心,成立之初宣布将配备 5 台 20 量子位的量子计算机,但量子计算机数量将在下个月增长到 14 台。IBM 承诺其量子计算机将提供 95% 的服务可用性。

需要提到的是这台 53 量子位的原型机的性能表现还没有经过 Quantum Volume(量子体积) 的测试。“量子体积”是 IBM 引入的更为全面的包含量子位数、连接性能、编译器和软件堆栈性能等要素的性能衡量指标。上文提到的 IBM 20 量子位计算机的量子体积为 16。

图 | IBM Research于9月18日发布推文称 “随着我们在纽约的量子计算中心的启用,我们很高兴能扩展世界上最大的量子计算系统”(来源:IBM Research官方Twitter)

IBM 指出,新的 53 量子位系统引入了许多新技术,公司能够为云部署推出更大、更可靠的系统。它具有更紧凑的自定义电子产品,能提高算力并降低错误率,同时具备新的处理器设计模型。

IBM 研究院(IBM Research)“AI and IBM Q” 副总裁 Dario Gil称,“自 2016 年我们把第一台量子计算机放到云上以来,我们的发展势头一直非常强劲。我们的目标是,把目前只有少数孤立实验室能做的量子计算转移到成千上万的用户手中。这个富有激情的群体的唯一目标就是实现所谓的‘量子优势’,即打造出极强的、可以解决现实问题的量子系统,这些问题可能单单靠传统的计算方式是无法解决的。”

今年 1 月,IBM 商业价值研究院推出《量子计算,即将到来》的报告称,量子计算已接近商业化阶段,有很大的潜力改变世界。同月,IBM 成立量子计算中心,将量子计算服务提供给越来越多的用户,以及即将再次刷新量子计算机的算力,这些与前述报告的判断押着相同的韵脚。但量子计算机的商业化潮头真的来了吗

量子计算竞速

量子信息技术主要包含量子通信和量子计算两个分支,量子计算主要有适用于工业问题的量子退火、适用于生物医药的量子模拟以及通用量子计算三种类型。

量子计算机是指具有量子计算能力的物理设备。它的出现主要有两个原因,一个是摩尔定律几近失效,另一个是量子计算机本身具备的强并行性。

图 | 谷歌的量子计算系统(来源:MIT TR)

谷歌、IBM、微软、英特尔等欧美科技企业拥有绝对的先发优势,通过不同技术路径希望能领先,同时,阿里巴巴、腾讯、华为、百度等中国企业也相继入局,这一新兴市场后劲十足。

图 | 2019年2月,微软在代尔夫特理工大学开设了代尔夫特微软量子实验室(Microsoft Quantum Lab Delft)(来源:Microsoft)

目前的量子计算主要有三种技术路径,分别是谷歌和 IBM 采用的通过超导系统实现量子计算、微软的拓扑量子计算、英特尔的超导量子计算和硅量子点同步研发。

图 | 2018年5月,英特尔发布了49-Qubit处理器(来源:Intel)

量子计算赛场“群雄逐鹿”。英特尔在去年美国拉斯维加斯消费电子展(CES)上发布了具有 49 量子比特的超导量子测试芯片;去年底,IBM 宣布研发出了 50 量子位的量子计算原型机;今年初,谷歌不甘落后展示了最新研制的 72 量子位量子处理器"Bristlecone",并称这一处理器有望实现“量子霸权”。这一概念由加州理工学院教授 John Preskill 在 2012 年提出,他预言 50 量子位的量子计算机能在特定问题上超越世界上性能最好的经典计算机。

IBM的“Q 战略”

早在 1998 年,IBM 就和麻省理工学院等高校的研究人员制作了一个 2 量子位的计算系统。2016 年,IBM 的研究员在位于纽约 Yorktown Heights 的实验室中建造了一台有 5 个量子位的量子计算机,并宣布把这台计算机开放。

在去年的年度科技盛宴 Think 2018 上,IBM 总结了近期在量子化学领域取得的重大进展,包括使用量子计算机成功模拟了氢化铍(BeH2)中的原子键合,这是通过量子计算机模拟出来的最复杂的分子。同时,IBM 还发布了“未来五年五大科技预测”,量子计算位列其中。他们认为,在未来五年,随着大众对量子计算相关知识的逐步了解,量子计算将跨入商用初期

IBM 于 2016 年 5 月推出了 Q Experience,量子系统访客已有 10 万多人,并发布第三方研究论文 130 多篇。2017 年底,IBM 开始解构“量子霸权”,IBM Q 战略副总裁 Bob Sutor 强调,重要的不是量子比特的数量,而是量子比特的质量。这也是他们提出“量子体积”这个新的性能衡量指标目的最新的数学研究证明,即使在特定问题上,50 量子比特的量子计算机也无法全面超越经典计算机。

2017 年上线的 IBM 的 Q Network是一个商业和科学应用平台,已经吸引了 500 多家用户,涵盖包括埃克森美孚在内的跨国巨头和欧洲核子中心在内的科研圣地,通过云端让一线工程师和科研人员体验到量子计算在金融服务、制药和人工智能领域的潜力。

图 | IBM Q System One(来源:IBM官方Twitter)

在今年的 CES 上,IBM 展示了全球首款专为科学家和企业设计的量子计算集成系统,称为 IBM Q System One,此外,IBM 还计划 2019 年在纽约 Poughkeepsie 开设首个 IBM Q 量子计算中心。

IBM Q 的外观是一个高 2.74 米,宽 2.74 米,厚 1.27 厘米的硼硅酸盐玻璃密封外壳(该外壳由专业的工业设计公司和建筑内饰公司设计,并由设计《蒙拉丽莎》展览方案的意大利米兰制造商 Goppion 公司组装),内部结构是数层金色圆盘从上而下叠成倒圆锥结构,夹杂繁复的银色管道,犹如一只蒸汽朋克风格的吊灯。

当时有技术教授认为这不是一台实用的量子计算机,但是它可以作为量子计算规模化和商业化的早期模板

目前,该公司已经与多家商业客户、学术机构和研究实验室建立了伙伴关系。尽管量子计算的技术水平还没有完全准备好,但其中一些合作方已经开始使用现有的量子计算机来处理现实问题。

不容忽视的兼容性问题

在传统的计算机中,信息的基本单位是位(bit),它由 0 和 1 组成。而在量子计算机中,量子信息的基本单位变成了量子位(qubit)。量子位与传统的位在大部分情况是相似的,前者可以在两个独立基态的其中一个。然而量子的特点是可以进行态叠加,相当于一个态中包含复数个态。只有当量子位处于两个基态之一时,它才会和经典的位一致。此时对该量子位观测,得到的结果就是它所处的态。除此外则完全不适用于传统的 0 和 1。

这也就导致了量子计算机的处理结果需要经过一次转换,才能被应用到现在常见的计算机中。但是在社会所有处理器均为传统计算机的当下,量子计算机的兼容性仍然是一个大问题。目前来看,量子计算机均是用来解决特殊任务的,需要做定制化的接口开发和量子位与经典位之间的转化工作,无法胜任经典计算机所执行的通用计算任务。

不仅如此,目前能在物理世界中实现量子计算的方法大致有三种:光子、三氯甲烷、电子。即便这三种方法是已知量子力学中最简单的物理实现手段,不过成本仍然远高于传统计算机。除非量子计算机可以实现超高级别的算力支持,否则在单位算力经济成本上,还是传统的计算机更适用于当前社会。

事实上,量子计算机在理论上可以远超于传统计算机的性能,其原因在于量子位态叠加原理的应用上。在经典物理系统中,如果一个系统由 n 个彼此独立无关的粒子组成,每个粒子的状态都用二维空间中的一个向量来描述,那么根据这些粒子的笛卡尔积,该系统所有的状态应该是一个 2n 维度的空间。

图 | 量子位由受控制的粒子和控制手段(例如捕捉粒子并将其从一种状态切换到另一种状态的装置)组成(来源:Wikipedia)

相反,对于一个具有 n 个粒子的量子计算系统来说,其状态空间就变成了 2 的 n 次方维。换句话说,随着粒子数目的增加,空间维度会呈指数级变化。这也正是量子计算机比传统计算机算力更高的原因。

对于兼容问题,IBM 也在寻找解决方法。2017 年 3 月,IBM 发布的“IBM Q”据称能够帮助开发者构建量子计算机与常规架构计算机之间的接口。依据上文提到的指数变化可以了解到,更高的量子位意味着更庞大的计算量。回到 IBM 这个 53 量子位的计算机中,它能否进一步提高兼容性,以应用于更广泛的任务之中?这可能还需要进一步考量。

除此之外,量子计算机也有专门的量子算法,正如经典计算机中的算法一样。当下较为知名的量子算法为 Grover 量子搜索算法,可以有效对数据库进行搜索,然而在一些特定的条件下效率较低,仍有很大的改进空间。

商业化道路上的坎

量子计算有望超越传统计算机成为一种全新范式,但在量子计算应用开发、冷却环境保障以及新硬件架构方面还存在很多问题。

量子计算需要在绝对低温的环境下进行,现有量子计算机要求的温度是 20mK,几乎就是绝对零度了。极度冷却的目标在于达到零错误率,如果温度无法达到这个温度或者温度波动较大,都会导致错误率急剧上升。

图 | 上图展示了IBM Q的稀释制冷机如何在低温保护层(右下角)中将温度从4K降到15 Millilevins。这个保护层搭载量子处理器。这张图还显示了用于向处理器发送微波脉冲的电缆以及它如何使用左边的放大器读出测量值(来源:Medium)

IBM Q 展示的原型机考虑到了商业化的问题,设计了可以自动开启的两扇门,工程人员可以在停机时间快速检修藏在后面板背后的制冷和控制模块,最大限度地减少停机时间;另外,IBM Q 还有一系列独立的铝和钢统一框架,以及解耦系统的低温恒温器,用于控制电子设备和外壳,有助于避免潜在的振动干扰,导致“相位抖动”和量子退相干。

这是 IBM Q 适用于可靠商业用途的一个创新。但在 CES 上展出的部分只是量子计算机的一个核心硬件,加上未展出的配套的功能、冷却和控制设备,全套设备可能将摆满一整个房间。除非 IBM 一直选择提供云服务,否则要走商业化的道路就必须要考虑设备大小问题。

应用方面,随着更多行业参与者的加入,量子计算会在各个行业中有越来越多的应用,尤其是在医疗保健、金融服务、网络安全、农业、云计算、人工智能等等领域。正如 D-Wave Systems 首席执行官 Vern Brownell 所言:我们正处于量子计算时代的黎明。我们相信,我们正处在提供传统计算无法提供的功能的转折点。几乎在所有学科中,你都会看到量子计算机产生了这种影响。

目前,尽管量子计算听起来相当火热,但业内只有极少数公司能拿到足够的资金助力。D-Wave 是资金最充足的量子计算创业公司,迄今筹集了 2.1 亿美元,紧随其后的是 Rigetti Computing (1.19 亿美元)、 Silicon Quantum Computing (6600 万美元)和 Cambridge Quantum Computing (5000 万美元)。

大象起舞

随着时代的变迁,人们在聊起软件、计算、IT 的时候,往往第一时间想到的是谷歌、Facebook 这样的公司,反而很少提及当年 IT 界的翘楚 IBM 了。从已公开的信息来看,IBM 参与了科技领域所有热门的项目,包括人工智能、云计算、物联网。相当于和谷歌、Facebook、苹果等科技公司形成了直接竞争的关系。

然而从企业的市值角度来看,苹果突破了 1 万亿美元的市值,谷歌为 8000 亿,Facebook 为 5000 亿,而 IBM 仅有 1200 亿美元左右的市值。与这些科技公司相比,IBM 在全球领域拥有牢固的品牌基础,也有庞大的用户群体,最资深的行业经验。诚然,市值不能决定一家公司的科技成就,但是至少它能够以数字的形式表现出一个笼统的企业社会价值。

IBM 仍然是一支科技领域的权重股,量子计算机的商业落地绝对是 IBM 能否完成“大象起舞”的关键之一。

在 2019 年 9 月 10 日,IBM 就已经为德国的工厂配备 20 量子位的量子计算机了,而且德国政府预计在未来两年内花费 7.17 亿美元采购更多的量子计算机。

图 | 德国总理默克尔(Angela Merkel)9月11日在柏林会见了IBM的CEO罗睿兰(Ginni Rometty),讨论了量子技术等议题(来源:IBM官方Twitter)

德国是世界精尖工业的代表,德国制造几乎意味着地球的最高水准。一旦德国更大规模地采购量子计算机设备,其他国家极有可能效仿德国,IBM 全球的销路就会因此而大幅度上涨。同样,工业设备往往走在社会的领先地位,量子计算机如果推动了工业 4.0 的发展,那么引领大规模量子计算或者消费端量子计算都是有可能实现的

2019 年年中,IBM 以 340 亿美元的价格收购了开源解决方案供应商 Red Hat,该公司为诸多重要 IT 技术如操作系统、存储、中间件、虚拟化和云计算提供关键任务的软件与服务。根据 IBM 官方的收购资料,他们将合作开发一种跨模式的架构,让用户在公有云和私有云之间无缝跳转。IBM 将通过使其软件本地化来推动更多软件收入,并优化它以在 Red Hat 的 OpenShift 上运行。IBM 把这个软件和自己的云业务软件打包成一个软件包以促进云与传统基础架构之间的运行和迁移,这就是 IBM 的 Cloud Paks 的由来。

图 |(从左至右)红帽执行副总裁兼产品和技术部门总裁 Paul Cormier、IBM 云计算与认知软件业务全球高级副总裁、IBM 全球研究院院长 Arvind Krishna(来源:IBM)

这样一来,IBM 在云市场同时拥有 Cloud Paks 的软件支持以及量子计算机的硬件支持,借此双拳出击进而使“大象起舞”成为了可能

参考:

https://www.cnet.com/news/ibm-new-53-qubit-quantum-computer-is-its-biggest-yet/

https://techcrunch.com/2019/09/18/ibm-will-soon-launch-a-53-qubit-quantum-computer/

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