IBM 量子计算机内部结构图首度曝光,2018量子霸权战局预测

本周,IBM50个量子比特原型机内部结构图曝光,全面展示了这台机器的构造和原理。IBM在“量子霸权”道路上雄心勃勃,但也面临着诸多问题。同时,来自谷歌、微软等大公司的竞争让2018年量子霸权争夺大戏异常精彩,值得期待!

2017年11月,IBM宣布成功构建并测量了具有类似性能指标的50个量子比特原型机。

50个量子比特被普遍认为可以进行普通超级计算机不能完成的任务,IBM此举也是在“量子霸权”(quantum supremacy)上具有里程碑意义的一步。

在本周在旧金山举行的IBM's inaugural Index 开发者大会上,该公司对外展示了50个量子比特原型机,更重要的是,原型机的内部结构图同时曝光。

不过,尽管IBM的50个量子比特原型机看上去非常先进,但量子计算仍处于初级阶段,包括IBM在内的公司都不太确定量子计算的下一步将走向何方。

与此同时,想要在量子计算这个蓬勃发展的领域取得“量子霸权”的不仅有IBM,还有谷歌(49个量子比特)、微软以及日本的数家企业与研究机构。

阿里云量子实验室首席科学家、之江实验室副主任施尧耘认为,2018年将上演量子计算年度大戏,几个大公司之间将出现量子霸权混战,未来量子计算面临着诸多变局。

VC、大公司、各国政府都在量子计算上玩添砖加瓦的施工比赛,让这个舞台看上去热闹非凡。

构造图曝光:IBM 50量子比特原型机大拆解

被曝光的IBM50量子比特原型机内部构造长这样。

利用量子处理需要保持绝对零度附近的恒定温度。这张细节的内部构造图详细解释了各个部件的特性,整台“冰箱”利用两种氦同位素的混合特性来创造这样的环境,由2000多台电脑制造而成。

量子位信号放大器(Qubit signal amplifier)

其中的一个放大器需要恒定在4开尔文

输入微波线路(input microwave lines)

每个容器都处于类似冰箱的环境中,从而保护量子位在发出信号的过程中控制热噪声以及读取信号。

超导同轴设备(superconducting coaxial lines)

为了尽量减少能量损失,在第一和第二连接轴之间插入信号同轴线,放大级由超导体制成。

量子放大器(quantum amplifiers)

磁屏遮罩内的量子放大器,放大处理读取信号,并将噪音最小化。

混合室(mixing chamber)

冰箱最底部的混合室提供了必要的冷却能力,使处理器和相关部件的温度降低到15mK,比外层空间更冷。

低温光电隔离器(cryogenic isolators)

低温隔离器可以使量子信号向前发送同时防止噪声影响其质量。

低温盾(Cryoperm shield)

量子处理器位于一个屏蔽层内,保护其免受电磁辐射的影响,控制信号质量。

高效与脆弱并存:量子计算机对温度、微波、光子等干扰高度敏感

量子计算机能够更有效地解决某些方程,如建模复杂分子。但这种高效率受到系统脆弱性的影响。

目前,量子比特的一致性时间在衰减前90微秒处达到顶点。也就是说,如果一个量子比特被指定为1,它只会在0.0009秒内保持1。 “之后,所有的努力就白费了,所以你需要有足够的时间真正地使用量子计算。”IBM Q战略副总裁Bob Sutor说,任何准备用量子计算的内容都必须在这段时间内完成。”

同时,量子计算机对来自温度、微波、光子,甚至是运行机器本身的电力的干扰也高度敏感。 Sutor说,由于热量存在,很多电子在四处移动,相互碰撞,这可能导致量子比特的退相干。这就是为什么这些机器必须冷却到接近绝对零度才能运行。

除了内部的温度,外部空间的温度也是需要保持在两到三度的绝对温度之间。Sutor说外层空间太热的话,就无法进行计算。现在,量子计算机平台的最低层存在于10毫开尔文的寒冷“冰箱”中,这是一个高于绝对零度的温度。Sutor说,未来几十年,我们可能还做不到能够在室温下运行的台式量子计算机。

不过令人惊讶的是,这些系统却相当节能。除了冷却运行系统所需的能量外(一个过程大约需要36个小时),IBM的量子原型机仅吸收10到15千瓦的功率,大致相当于10个标准微波炉。

IBM“量子霸权”局限:公众知识缺口、程序编写缺少、计算机拓展困难

现在IBM已经开发出了量子计算机系统,这只是第一步,下一个挑战是弄清楚如何处理它们。这正是该公司IBM Q系统聚焦的发展方向和未来目的。

IBM Q系统建立在IBM的Quantum Experience的技术之上,Quantum Experience允许任何人、企业、大学等编写和提交自己的量子应用程序或实验,以便在该公司可用的量子计算设备上运行,它本质上是用于量子计算的云服务。迄今为止,已有超过75000人使用该服务,运行了超过250万次的计算,并发表了超过24篇关于从量子相空间测量到同态加密的主题的研究论文。

为了增强由量子研究人员和应用开发人员组成的生态系统,IBM 还在今年年初推出了 QISKit (www.qiskit.org) 项目,这是一个开源软件开发人员套件,可在量子计算机的编程和运行中使用。

但是,尽管公众对这项技术的非常感兴趣,但IBM离“量子霸权”还很远。

在量子应用像经典计算机在20世纪70年代和80年代一样萌发之前,人们必须克服重大的知识缺口。 Sutor指出,关于量子计算将是什么以及什么是量子计算的算法,我们到现在还不确定,也不知道量子计算在其他些领域的适用程度如何。

Sutor很清楚编写程序的切入点是一个挑战。对于传统计算机来说,编程很简单,但量子计算机还没有这样的功能。

另外一个必须克服的挑战是如何扩展这些机器。正如Sutor指出的那样,向硅芯片添加量子比特是一项比较简单的任务,但是每增加一个元件,都会产生热量,同时也会增大让系统保持在其工作温度范围内所需的能量,前文说过,IBM的这台量子计算原型机必须冷却到接近绝对零度才能运行。

对此,Sutor的做法是推出量子版的摩尔定律,他认为这项技术的下一个重大进步是质量而非数量。 “有50个巨大的量子的机器比拥有2000个糟糕量子的机器强大得多。”他认为,量子计算研究应该关注于通过增加量子比特来提高系统的保真度。

2018年量子霸权格局:在“魔道大战”中进入两极世界时代

“量子霸权”这条路上,从来不缺少巨头的身影。

2017年4月,谷歌公布其实现“量子霸权”的路线图,声称将利用49量子比特的模拟系统攻克传统计算机无法解出的难题。

在谷歌的计划表中,他们计划于2017年底达成“量子霸权”,并在2016年年底展开了测试。这一测试的目标是证明,包含49个量子位的系统能解决超出任何传统计算机能力的问题。谷歌没有对最终结果置评,而结果是否成功也需要科学期刊的评审。

微软也是较早展开量子计算研究的公司,他们将研发重点放在了“有效操纵”上,但尚未产生可以工作的量子比特,有消息称微软将在近期公布最新突破。

英特尔实验室负责人迈克·梅伯里(Mike Mayberry)表示,在真正可行的技术出现之前,大型科技公司之间将会有一场“十年的竞赛”。他说,“我们现在还处于’玩具系统’时代”。

本月初,施尧耘曾在新智元发表文章,对2018年的量子计算格局进行预测,他认为,2018年的量子计算舞台将极其精彩,量子霸权硝烟战争已经打响,“魔道大战”即将上演。

施尧耘认为,量子计算将分为“超导戏班VS离子阱歌舞队”,并进入两极世界。顶端是量子算法的高级队:量子机器学习、优化算法和化学模拟;另一端是处理器只有四、五个比特的小型公司,但仍有可能成长为参天大树。

所以,2018年的量子计算值得期待。

原文发布于微信公众号 - 新智元(AI_era)

原文发表时间:2018-02-24

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