百度成立量子计算研究所,BAT相继进军全球量子计算争夺战

AI 科技评论消息,3 月 8 日,百度宣布成立量子计算研究所,悉尼科技大学量子软件和信息中心创办主任段润尧教授出任百度量子计算研究所所长,直接向百度总裁张亚勤汇报。

据悉,段润尧本科和博士均就读于清华大学计算机系,师从应明生教授,系悉尼科技大学终身教授,澳大利亚研究理事会(ARC)Future Fellow,自 2016 年 9 月 15 日起担任量子软件和信息中心创办主任。

截至目前,段润尧已经在国际顶级学术期刊会议上发表论文 80 余篇。曾主持或作为主要参与人完成量子计算方面多项国家自然科学基金项目,一个 863 项目,以及两项 ARC 项目。曾于 2013-2016 年担任 QIP 会议(量子计算和量子信息科学理论方面最顶级的学术会议)管委会委员和 2015 年主席,并作为组委会主席成功在悉尼举办 QIP2015。

段润尧表示,他将全力推动「百度量子、量子百度」的研究规划,计划在五年内组建世界一流的量子计算研究所,并逐步将量子计算融入到百度业务中。

至此,BAT 三家已经全体进军量子计算领域。

量子计算是基于量子力学的全新计算模型,与传统计算理论不同,它的运行基于量子比特,利用量子叠加和量子纠缠等独特的量子效应进行信息处理,可以极大提高计算效率,同时也将对信息安全提出了严峻挑战。

量子计算目前主要应用于复杂的大规模数据处理与计算难题,以及基于量子加密的网络安全服务,随着人工智能对计算能力的需求不断提升,量子计算提供了一种从根本上增强计算能力的思路,其核心优势是可以进行高速并行计算。同时,量子计算机可以完美地解决传统计算机模拟量子系统时遇到的海量存储和指数时间问题,是进行高效量子模拟的天然选择。

阿里:最早布局量子计算

早在 2015 年,阿里巴巴就开始布局量子计算,并与和中科院合作成立了亚洲首个量子计算实验室,开展在量子信息科学领域的前瞻性研究,探索超越经典计算机的下一代超快计算技术。

在 2017 年 3 月的深圳云栖大会上,阿里云公布了全球首个云上量子加密通讯案例,通过建立多个量子安全传输域,为客户提供无条件安全数据传输服务。

2017 年 5 月,世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算机诞生,它是由中科大、中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室、浙江大学、中科院物理所等协同完成参与研发的。在超导体系,该研究团队打破了由美国保持的 9 个量子比特操纵记录,自主研发了 10 比特超导量子线路样品,成功实现了目前世界上最大数目的超导量子比特的多体纯纠缠,并通过层析测量方法完整地刻画了 10 比特量子态。

而在 2017 年 9 月,阿里云宣布世界知名量子计算科学家、密歇根大学终身教授施尧耘将担任阿里云首席量子技术科学家。施尧耘,师从计算机科学最高奖「图灵奖」得主姚期智院士,后赴密歇根大学任教,在美国持有与量子科学相关的多项专利。

施尧耘曾表示,加入阿里巴巴是希望能让量子计算落地,探索终极计算能力。「阿里巴巴旗下的阿里云为客户提供计算和人工智能服务,不仅支撑量子技术的研究,也是未来量子应用的输出渠道。」

而在一个月之后的云栖大会上,施尧耘宣布由阿里云与中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室共同开发的量子计算云平台正式上线。

阿里云量子技术可以概括为三个关键词:提升、赋能、安全。

  • 提升:提升现在的计算,包括机器学习,组合优化,带动基于这些核心计算应用的增速。
  • 赋能:为合作伙伴打造开放量子计算平台,支撑跟量子信息相关产业的腾飞,营造量子信息技术的生态系统。
  • 安全:扩充加强阿里云已有的量子加密通信技术,推出基于量子密码的安全计算,让客户使用阿里云的时候,数据和程序即使是对阿里云也是保密的。

在 2018 年初,阿里云量子实验室又将一位量子计算大牛纳入麾下——两次理论计算机最高奖哥德尔奖(Gödel Prize)得主、匈牙利裔美国计算机科学家马里奥•塞格德(Mario Szegedy)。

阿里巴巴方面则表示,在马里奥•塞格德入职达摩院后,他将与施尧耘等科学家们开展量子算法的研究,「加速推进量子计算从理论到工程落地,并探索量子计算与云计算、人工智能、基础物理、材料、化学等学科结合的无限潜力。」

在 2018 年的科技趋势预测中,施尧耘也畅想了他对「量子霸权」的期待:

2018 年量子计算的第一幕高潮应该是「量子霸权」:多个超导,甚至可能有离子阱团队将纷纷宣称实现了经典计算机无法模拟的量子处理器来。而经典模拟能力可能在新的理论突破下大大提升,重设霸权之争的起点。今年可能见证第一个拓扑比特的诞生。而其他如超导、离子阱等方向颠覆性新思想的种籽可能会在今年无声地落地。量子软件因为门槛低,将会继续蓬勃发展。量子算法的论文会百花齐放,但大多数不过是组合拳。 量子-经典在密码上的擂台今年会愈演愈烈。经典密码苦修多年「后量子密码学」,终于把秘籍练到实用,大显抵抗量子攻击的能力和不需任何额外投入的成本优势。作为对策,小型、廉价的量子密码产品可能在今年出现,叩开近距离量子密码规模化市场。

在 2018 年 2 月,中科院量子信息与量子科技创新研究院与阿里云宣布,11 量子比特超导量子计算服务在量子计算云平台上线。这是继 IBM 后全球第二家向公众提供 10 比特以上量子计算云服务的系统。

腾讯:量子实验室启动进行中,量子 AI 人才两手抓

最早了解到腾讯布局量子计算,是在 2017 年 12 月由腾讯 SNG 主办的 TSAIC 大会上,香港中文大学计算机系任副教授张胜誉正式以腾讯量子实验室负责人、杰出科学家的身份现身并发表演讲。这也是腾讯量子实验室的首度发声。

张胜誉博士在本次论坛上深入浅出地以「薛定谔的猫」为切入点,阐述了量子计算的定义一些非正式的量子信息(如量子叠加、量子观察、量子纠缠等),引申到学术上量子计算的主要领域,回顾了量子计算的发展历史、现状以及物理实现,并对未来作出了发展可能性的探讨。

在会上,张胜誉博士也提及了两个招聘的主要方向:一个为量子方向;另一个则为 AI 方向。

我们希望招聘到跟量子相关的算法、复杂性、通讯、模拟、量子物理、量子化学等等各方面的人才。

另外我们也很看重量子力学和人工智能的结合。可能有一些从物理中过来的想法,这些想法是完全可以实现在经典量子计算机上,如果有人喜欢做 AI、喜欢做机器学习中的基础问题,但是又想多一些理解和多一些本质性的突破,也希望加入我们,大家一起来研究探讨这个问题。

在 BAT 三家企业纷纷入局量子计算领域后,相信全球的量子霸权争夺战将愈演愈烈。而纵览国外的科技企业,他们的量子计算研究又走到了哪一步,目前又有哪些令人印象深刻的技术呢?一起与雷锋网(公众号:雷锋网) AI 科技评论简单回顾一下。

国外科技企业的量子计算研究进展

D-Wave 和量子退火

2007 年,加拿大初创公司 D-Wave Systems 宣布,他们使用 16 个超导量子比特成功制成量子计算机,但是 D-Wave 的机器并没有使所有的量子比特发生纠缠,并且不能一个量子比特接着一个量子比特得编程(be programmed qubit by qubit),而是另辟蹊径,使用了一项名为「量子退火」(quantum annealing)的技术。该技术下,每个量子比特只和临近的量子比特纠缠并交互,这并没有建立起一组并行计算,而是一个整体上的、单一的量子状态。D-Wave 开发者希望把复杂的数学问题映射到该状态,然后使用量子效应寻找最小值。对于优化问题(比如提高空中交通效率的)来说,这是一项很有潜力的技术。

英特尔和硅量子点

对量子计算最大的赌注恐怕来自英特尔:2015 年,它宣布将向荷兰代尔夫特理工大学的量子技术研究项目 QuTech 投资 5000 万美元。英特尔专注于硅量子点技术(silicon quantum dots),它经常被称作「人造原子」。一个量子点量子比特是一块极小的材料,像原子一样,它身上电子的量子态可以用 0 或 1 来表示。不同于离子或原子,量子点不需要激光来困住它。

早期的电子点用几近完美的砷化镓晶体制作,但研究人员们更倾向于硅,希望能利用半导体产业的巨大产能。QuTech 技术负责人 Leo Kouwenhoven 说:「我认为英特尔属意于硅,毕竟那是他们最擅长的材料。」但是基于硅的量子比特研究,大大落后于囚禁离子和超导量子技术。

微软和拓扑量子

早在 2005 年微软就已经开始钻研量子计算技术。在当时微软还悄悄成立了 “Station Q” 实验室,负责人是数字家 Michael Freedman。在 2005 年,微软带领的一支研究团队,就提出了一种在半导体-超导体混合结构中建造拓扑保护量子比特的方法。微软已经投资了数个团队进行尝试。他们近期的论文,还有贝尔实验室的一项独立研究都展示了,关键的任意子以电路中电流的模式进行移动的「征兆」。

在 2016 年,微软宣布计划斥巨额资源开发量子计算机的原型产品,与 IBM 和谷歌等科技巨头一同分这杯羹。

在研究上,微软的选择甚至更遥远:基于非阿贝尔任意子(nonabelian anyons)的拓扑量子比特(topological qubits)。这些根本就不是物体,他们是沿着不同物质边缘游动的准粒子(quasiparticles)。他们的量子态由不同交叉路线(braiding paths)来表现。因为交叉路线的形状导致了量子叠加,他们会受到拓扑保护(topologically protected)而不至于崩溃,这类似于打结的鞋带不会散开。

谷歌的超导量子研究

谷歌聘用了加州大学圣芭芭拉分校(University of California, Santa Barbara)的超导量子比特专家 John Martinis。他曾研究过 D-Wave 的运行方式和缺陷。在 2014 年,谷歌把整个加州大学圣芭芭拉分校研究团队的全部十几个人都纳入麾下。这之后,John Martinis 团队宣布,他们已经建成了 9 量子比特的机器,当时是目前世界上可编程的量子计算机中最大的之一,而且他们正在尝试扩大规模。为了避免大堆缠绕的电线,他们正在 2D 平面结构上重建该系统。系统会铺设在一块晶圆上,所有控制电路都蚀刻在上面。

John Martinis 团队如今已有 30 名科学家和工程师。在 2016 年 7 月,他们用了三个超导量子比特来模拟氢分子的基态(ground state)能量,这展示了在模拟简单的量子系统上,量子计算机可以做到和传统计算机一样好。Martinis 表示,这个结果预示了拥有「量子霸权」的计算设备的力量。他还认为,谷歌一年造出 49 量子比特计算机的计划很赶时间,但或许有可能实现。

而在近日,谷歌量子 AI 实验室今天发布了新的 72 位量子比特的量子处理器 Bristlecone。虽然目前还没有看到具体的实验结果,但这块芯片的未来有很大潜力,很有可能达成量子计算领域内的重要里程碑。

ionQ 和囚禁离子

与此同时,ionQ 的 Chris Monroe 正在试图克服囚禁离子带来的各项挑战。作为量子比特,它们可以在几秒钟内维持稳态,这还多亏了真空装置和在环境噪音影响下仍能将其稳定的电极。但是,这些隔离措施意味着,量子比特之间的交互变得更难。Monroe 最近把 22 个镱离子纠缠成一条线形链(linear chain),但至今,他还未能控制或查询所有的离子对,而这是量子计算机必须做到的。

控制组合体的难度,会随离子数目的增加指数级得升高。所以,加入更多离子是做不到的。Monroe 认为,解决办法在于使用模组化的设计,用光导纤维把囚禁离子群连接起来,每个囚禁离子群约有 20 个离子。若用该方案,每个模组中的某特定量子比特都会成为该离子群的中心,从群中其他量子比特那接受信息,并与其他模组分享。这样,大多数离子会免于外部侵扰。

IBM 与商业化

在商业化上走得更远的企业, IBM 可谓独树一帜。早在 2016 年,IBM 就开发出了具有 5 位量子比特的量子计算机后,就把它提供出来作为量子计算云服务,供研究者使用。2017 年 11 月,IBM 宣布发布新型的20位量子比特的量子计算机,同样作为云服务对外提供,并且是正式商业化的产品。

IBM 同时表示,他们的研究人员们已经成功开发出了一台 50 位量子比特的原型机。以往观点认为达到 50 位量子比特的量子计算机就可以模拟传统计算机的所有操作,因此,这可以算是量子计算机重要的里程碑,但它的商业化日程尚未可知。

更多关于量子计算的最新进展,敬请关注 AI 科技评论。

原文发布于微信公众号 - AI科技评论(aitechtalk)

原文发表时间:2018-03-08

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