聆听“IBM”对量子计算机的发展设想-量子客
IBM Q-50位比特的原理样机展示

 

尽管围绕量子计算这个蓬勃发展的领域进行了大肆炒作,但该技术仍处于初级阶段。就在几年前,研究人员正在使用少于十几个量子位的基本机器(传统计算机的二进制位的量子版本)成为头条新闻。在本周在旧金山举行的IBM首次指数开发者大会上,该公司展示了其最新的原型:一种容量为的量子计算装备,这是目前最先进的机器之一。

量子计算能够以比传统计算机快得多的速度并行计算和求解算法 - 有望彻底改变化学,物流,金融和物理等领域的领域。问题是,尽管量子计算是未来世界的一种技术,但它还没有进展到足以让任何人知道这个世界实际上会是什么样子。

IBM 研究团队的IBM Q策略和生态系统副总裁Bob Sutor对Engadget说:“人们不会在三、四年内就醒过来,然后说,“哦,好吧,现在我已经准备好使用量子了,我要学什么呢?””

正如爱因斯坦所说,这些系统依赖于量子物理学的“幽灵”性质,而他们的操作与今天的计算机工作原理截然不同。Sutor说:“你所做的基本上就是用一种叫做量子位的东西来代替比特。”Sutor说。“最终,当你测量一个量子位时,它是零或一个,但在此之前,实际上是自由的领域,它不是0和1,或者类似的东西,它只是从一个更大的数学空间取值。

“基本的逻辑门[AND,OR,NOT,NOR等],这些门在量子上是不同的,”他继续说道。“不同的量子位一起工作以获得解决方案的方式与您的通用存储器中的位的工作方式完全不同。” 与传统计算机不同,它不是按顺序处理问题,而是量子装备试图并行解决它们。这使得量子计算机能够更有效地解决某些方程,如建模复杂分子。

然而,这种效率受到系统脆弱性的影响。目前,qubit的一致性时间在衰减前90微秒处达到顶点。也就是说,如果一个量子位被指定为1,它只会在0.0009秒内保持1。“之后,所有的赌注都没有了,你有一定的时间真正地使用这个东西,”Sutor说。“任何你准备用量子计算的计算都必须在这段时间内完成。”

由于这种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高度敏感。Sutor说:“由于热量,你有很多电子在四处移动,相互碰撞”,这可能导致量子位的相干性。这就是为什么这些钻机必须冷却到接近绝对零度才能运行。

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该图为量子计算机原理图

“阴影中的外部空间是开尔文两到三度之间,”Sutor解释说。“外层空间太热,无法进行这些计算。”取而代之的是,量子计算机平台的最低水平,即计算本身发生的地方,存在于10毫开尔文——比绝对零度高100度。所以,Sutor向Engadget说道:“我们可能不应该期望在未来几十年内,在室温下运行的台式量子计算机,甚至在我们的有生之年也会存在这种情况。”

令人惊讶的是,这些系统都是相当节能的。除了足够冷却系统运行所需的能量(一个大约需要36小时的过程),IBM的50-qubit钻机只需要10到15千瓦的功率——大约相当于10台标准微波炉。

所以,现在IBM已经开发出了量子计算机系统,其范围从5到50个量子位,下一个挑战就是弄清楚如何处理它们。而这正是该公司Q网络的发展方向。去年12月,IBM宣布与包括摩根大通,三星,本田,日本庆应义塾大学,橡树岭国家实验室和牛津大学在内的众多财富500强企业和研究机构合作, - 为这项技术提供潜在的实际应用。

像庆应义塾大学这样的学习中心也是本地化的中心。“我们在IBM的研究中,虽然我们有一个庞大的团队,但我们无法与想要从事量子计算的世界上的每个人一起工作,”Sutor解释道。然而,这些中心“可以与当地的公司,当地的大学,任何人做任何事情,他们会从我们那里获得他们的量子计算机的力量,但他们会在第一线。” 奥克里奇国家实验室,牛津大学和墨尔本大学也是如此。

此外,该公司还推出了IBM Q体验,允许任何人 - 企业,大学甚至是私人公民 - 编写和提交他们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75,000人使用该服务,运行了超过250万次的计算,结果发表了超过24篇关于从"量子相空间测量"到"同态加密"的主题的已发表研究论文。

但是,尽管公众对这项技术的兴趣被激发了,但在我们开始看到量子应用程序激增之前,我们必须克服一个重要的知识鸿沟。Sutor指出:“假设在未来,你正在运行投资房屋类型的计算(类似于摩根大通目前正在开发的金融风险应用程序),有一些大的问题是关于这些数据是什么,以及这些算法是什么。”我们现在还为时过早,不能有任何这样的决定,即使是知道量子计算在其他一些领域也适用的程度。

编写程序的切入点也是一个挑战。对于经典计算机来说,它就像运行编译器一样简单。但量子计算机还没有这样的功能。他质疑道:“如果知道这与你手机上的模型完全不同,那么优化量子程序意味着什么?”

必须克服的另一个挑战是如何扩展这些机器。正如Sutor指出的那样,向硅芯片添加量子位是一项足够简单的任务,但是每增加一个元件,都会增加产生的热量和使系统保持在其工作温度范围内所需的能量数量。

因此,Sutor并不是简单地用更多的量子位来包装摩尔定律的量子版本,而是认为这一技术的下一个重大进步是质量而不是数量。他打趣地说:“拥有50个大的量子位比拥有2000个糟糕的量子位要强大得多。”“你不想要一些非常嘈杂的东西,你不得不去修复”,但是研究应该把重点放在通过增加量子比特来提高系统的保真度上。

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IBM Q原型机
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IBM Q原型机
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IBM Q原型机
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IBM Q原型机

但即使量子技术继续改进,传统计算机在未来的世界中仍然会有一席之地。“不要以为量子就是你所做的任何事情的完全替代品,”Sutor警告说。“该理论认为,你可以在量子钻机上运行任何经典的算法,但它会非常慢,因为它不是为了运行这些类型的产品而设计的。”

相反,Sutor更喜欢将当前的量子技术作为加速器。“它做得非常快,有些事情我们不知道如何做得很好,所以它会以这种方式携手合作。”

如果你正在等待今天的量子计算机能够很快与现代超级计算机竞争,你就不应该屏住呼吸。“我们需要比现在多好几个数量级,才能进入那个我们正在解决真正的超级难题的时期,”他说。

Sutor总结说:“要明确这一点,这是21世纪的一个戏剧......这是我认为在本世纪剩下的时间里将成为最关键的计算技术之一,所有重大突破将会发生沿线,其中许多我们现在无法想象。“