登上Nature封面就要称王称霸?谷歌和IBM必有一战!
半个导体 2020-12-10
20世纪40年代,现代计算机之父冯·诺依曼提出二进制,首次在全球范围内掀起了一股计算机热,现代计算机的发展缓缓拉开序幕。


1946年冯·诺依曼发明第1代计算机以来,现代计算机依次经历了电子管数字机、晶体管数字机、集成电路数字机和大规模大规模集成电路计算机四个阶段,计算机的应用领域也从军事和科学研究,走进了千家万户。

1970年以来,由于集成电路技术的大规模发展,半导体芯片可集成的晶体管数量越来越多,计算机设备越来越小,功能越来越强大。尤其是超级计算机的实现,为并行处理超大量数据带来了可能。

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超级计算机

然而,即便是每秒可运算一亿次的超级计算机,还是不能满足科学家的野心。
于是,量子计算机蠢蠢欲动!

天下武功,唯快不破!

和经典计算机相比,量子计算机的核心优势就在于:更快!
1)经典计算机采用二进制,只有0和1,相当于一个人有2双手,一次只可以做一件事。即便是通过超级计算机,运算能力也是按倍数增长。
2)量子计算机采用量子相干叠加原理,运算能力以指数增长。以10个超导量子比特的量子计算机为例,相当于一个人有210=1024只手同时开工。

量子计算机,为我们带来了无限可能!

量子霸权?还是量子优越性?

2019年9月20日,NASA官网意外发布了一条关于谷歌的爆炸性新闻。很快,这条新闻被删除,给人留下了巨大悬念。直到2019年10月23日,重磅新闻终于来了。

Nature封面全球宣告、世界主流媒体头版头条、谷歌CEO亲自官宣:谷歌实现量子霸权!(Quantum Supremacy,也称量子优越性)

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2019年10月,谷歌量子计算机登上Nature封面

在这篇出尽风头的Nature封面论文中,谷歌宣布其研究人员使用他们的53位量子计算机解决了一个特定的抽象问题,超越任何经典计算机,最新的量子计算机运行200秒,相当于目前最强大的超级计算机运行一万年,堪称量子超级计算机的里程碑!

量子霸权英文为Quantum Supremacy,也称量子优越性,主要是指量子计算机对传统经典计算机的技术优越性,是指新技术对传统技术的霸权。

“量子霸权”的翻译确实有吸引眼球之嫌,但是在当前国际科技竞争的大背景下,量子计算对经典计算的绝对优势演变成国与国之间量子计算领域的竞争,也不能不提前担忧。

那么,从技术的角度而言,谷歌真的实现量子霸权了吗?

赞美者有之,不外乎:谷歌一小步,人类一大步;量子计算里程碑之类。

批判者亦有之,主要包括以下几个方面:
1)最近几年,每一年都在宣布量子霸权,这次不过是拉上了Nature站台,动静闹得比较大而已,并没有什么实质性的进展。
2)0.1%的保真度,误差三个量级,实现了一个抽象问题的计算,连计算结果都没有,也没有说明有什么计算意义。
3)量子计算200秒=地表最强超算1万年,简直是胡扯。按照谷歌的这个计算,IBM的超算只要2.5天就能实现。

谷歌量子霸权的Nature论文一出,旋即引来无数口诛笔伐,毁誉参半。或许,只有业内人士才真正懂得,量子计算机究竟经历了些什么。

群雄逐鹿

天下有鹿,群雄共逐之。

当今科技,量子计算机便是最大的一头鹿。逐鹿量子计算机,谷歌最大的竞争对手,非IBM莫属。

长期以来,IBM就是计算机领域的绝对霸主。但是他们的关公和宣发能力貌似确实不够,让谷歌抢了风头。为了扳回一城,最近,IBM宣布他们已经实现了包含65个量子比特的量子计算机,这是目前为止公开报道的最大量子计算机。

更重要的是,IBM公开宣布了他们的量子计算机开发“路线图”:
2021年,实现127个量子位的中型量子计算机;
2022年,实现433个量子位的中型量子计算机;
2023年,建实现1000个量子位的量子计算机;
最终,在某一天实现100万个量子位的量子计算机。

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量子计算机

IBM研究总监Dario Gil表示,他有信心他的团队能够遵守这个时间表:“路线图不仅仅是一个计划和一个PPT演示,而是执行。”

除了IBM之外,国内外还有很多创业公司都在发力量子计算机。数十家量子计算初创公司使用IBM当前的机器开发自己的软件产品,了解IBM的时间表应该有助于开发人员更好地根据硬件调整他们的工作。

当然, IBM也不是唯一一家设计量子计算机发展路线图的公司。谷歌也有自己的计划,在10年内建造一台100万比特的量子计算机

IBM的野心

研究人员说,一台1000比特的机器是成熟的量子计算机发展中一个特别重要的里程碑。1000量子比特,不足以发挥量子计算的全部潜力,还无法打破当前的互联网加密方案,但它已经足够发现并纠正过分繁琐的量子比特的无数错误。

普通计算机中的1比特是一个可以设置为0或1的电子开关。相比之下,量子比特是一种量子设备——在IBM和Google的机器中,每个都是冷却到接近绝对零度的超导金属的微小电路——可以设置为0、1,或者,由于量子力学的特定规则,同时设置为0和1。但是与环境的最轻微的相互作用往往会扭曲这些微妙的双向状态,因此研究人员开发了纠错协议,以一种“逻辑量子位”的状态可以无限期保持的方式,将编码在物理量子位中的信息传播给其中任何一个。

领导IBM量子计算工作的物理学家Jay Gambetta说,有了他们计划中的1121量子位机器,IBM研究人员将能够维护少数逻辑量子位,并使它们相互作用。这正是制造一台拥有数千个逻辑量子位的成熟量子计算机所需要的。Gambetta说,这样一台机器将标志着一个“拐点”,在这个拐点上,研究人员的注意力将从降低单个量子位的错误率转向优化整个系统的架构和性能。

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                                                                           图丨Science
 IBM的研究人员已经为一台巨型低温恒温器安装了安装硬件,这种低温恒温器大到足以容纳一台拥有一百万个量子位的量子计算机。

IBM已经在准备一台巨型液氦冰箱或低温恒温器,以容纳一台拥有100万量子位的量子计算机。IBM路线图没有具体说明何时可以制造这样的机器。但是,如果公司研究人员真的能在未来两年内制造一台1000个量子位的计算机,这个最终目标听起来将更加实际可靠。

未来已来

天下武功,唯快不破。
然而,对于量子计算机而言,想要快,并没有那么简单。

40多年来,总是有科学家和工程师梦想:有一天,他们将建造一台成熟的量子计算机,能够进行有用的计算,超过任何传统的超级计算机。但是,直到目前位置,最先进的量子计算机也只有几十个量子比特,实在是太少了。想要超越经典的超级计算机,还有很长的路要走:
1)量子计算机运行,一般在真空环境、接近结对零度的温度,以及磁场保护的条件。或许要等到高温超导等一系列革命性量子技术突破,量子计算机才能迎来更多可能。
2)量子计算机目前对算法依赖度过高,只能解决少量特定的问题,对于经典计算机中存在的一些棘手的问题,还无法有效解决。
3)实现更大量子比特的量子计算机,让计算能力真正超越经典计算机。

无论如何
我们相信
未来已来

参考文献:
Adrian Cho, et al. IBM promises 1000-qubit quantum computer—a milestone—by 2023, Science , 2020.
DOI: 10.1126/science.abe8122
https://www.sciencemag.org/news/2020/09/ibm-promises-1000-qubit-quantum-computer-milestone-2023

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