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IBM副总谈量子计算

IBM副总谈量子计算

随着摩尔定律走到尽头,计算机科学家正转向其他计算方法,如超导量子处理器,以满足现实世界日益增长的计算能力要求。

IBM公司副总兼实验室主任Jeffrey Welser本月在旧金山举行的第四十九届半导体西部芯片制造展上谈到了关于量子计算的一些看法。以下是他的访谈记录:

问:首先,大家普遍都想知道,量子计算到底是什么?

答:量子计算是一种利用量子效应的计算形式,我们相信量子效应可以比经典算法更有效地实现某些类型的算法。量子计算机的基本单位是量子比特。在经典计算中,我们都熟悉比特,有“1”态或“0”态,这就是我们通常用来计算的。量子比特也可以是“1”态或“0”态,但因为它是一个量子比特,它可以同时处于“1”态或“0”态的叠加状态。

此外,你可以缠结两个量子比特,或数百或数千个量子比特,每当你对其中一个进行操作时,因为他们纠缠在一起,它会立即决定所有量子比特的状态。从某种意义上说,它使您能够进行大规模的并行计算,从而能够以比经典计算机快很多的速度完成大规模计算任务。

举个例子,量子计算机目前的典型应用是在化学和材料领域,你可以用量子计算机更精确、更大规模地模拟这些原子或相互作用。我在会议演讲中举了咖啡因分子的例子,这是我们每天都会接触的重要分子,它有大约95个电子,不是一个特别大的分子,但是如果你想在经典计算机上精确地模拟它,需要10的48次方个经典比特。你想想,地球上总共大约才只有10的50次方个原子。显然,经典计算机目前无法完成这样大规模的计算任务。

然而,对于一个非常稳健的容错量子系统来说,只需要160个量子比特就可以完成这项任务。这里的系统指的是是我们的50量子比特系统的模型。目前,我们距离包含160个量子比特的系统这一目标已经不远了。打开IBM Q网站,大家可以免费访问一个16量子比特的系统。从某种意义上说,我们还有几年的时间去真正实现一些比经典系统更有价值的东西,但它并没有我们过去想象的那么遥远。

问:你们的量子计算机的结构是什么样的?

答:我们的系统结构设计的中心要义其实是把芯片隔离开。芯片在系统底部,这些电线都放在那里。那是真正的量子计算芯片。如果我们要使用它,会有一个容器和周围的东西来隔离它,所以你是看不到它的,因为我们把它彻底包裹起来了。当它被覆盖好后,整个系统会下降到低压低温,这非常重要。

从最高温约40开尔文,然后下降到4开尔文,100毫开尔文等等。最低温度是15毫开尔文,这是绝对零度以上千分之十五度。而外界空间的温度大约是2到3开尔文。当到达最低温时,它比外界空间要冷好几百倍。

之所以要保持如此低的温度是因为需要把它与任何类型的干扰隔离开来,包括热干扰。任何热能都会使量子比特脱离我们想要的叠加态。即使有了这样的隔离,量子比特也只能维持其叠加态约100微秒。事实上,这已经是很大的进步了,我们为此感到非常骄傲。但显然,时间还是很短。在产生错误之前,我们必须在那个时间段内完成所有计算。

问:这是一个演示(demo)单元吗?

答:是的,我们带来的只是一个演示单元,组件都在这里。理论上,它可以运行,但缺少真空系统和周围隔离的东西。现在在我们纽约约克城高地实验室的地下室,有几个系统正在运行。您可以在云上访问这些系统。2016年5月,我们的第一个网站就已经上线了,那是一个五量子比特系统。如之前所说,我们现在有一个16量子比特的系统,可供大家免费使用,还有一个20量子比特的系统,供我们的合作者使用。另外,我们有一个由公司和大学组成的网络,目前超过70个成员,可以访问这个20量子比特系统。

我们还构建了一个称为Qiskit的完整的开源软件基础架构。它为人们提供了编程所需的工具。其中一个挑战是,它和以往我们习惯用的编程系统完全不同。如果你理解这个部分的话,Qiskit可以做单个的门来操纵量子比特。随着时间的推移,我们引入了库,因此化学家可以使用量子算法库。由此,他们可以理解高级算法的作用,这将转化为在量子计算机上运行。

问:人们现在认为量子计算机可以应用在哪些领域?

答:大多数人认为量子计算机有三大应用领域。一个是化学或材料发现。例如,大型半导体聚合物生产商JSR和三星都使我们的网络成员。他们经常使用我们的系统,因为他们相信当我们研发出足够大的系统时,它将帮助他们发现新的材料具有不同的性能,可用于各种领域。在消费品,如汽车、电池等产品中,材料发挥着巨大影响。我们相信,在三到五年内,我们将拥有足够大的系统,可以让顾客看到实际应用。现在,我们能提供的只有实验阶段样品。

下一个问题是优化。摩根大通和巴克莱银行也是我们的会员。他们正在研究用量子系统来做量子蒙特卡罗模拟或其他优化问题来为债券定价或预测非常复杂的金融系统的行为。目前,我们可以用非常大的超级计算机来实现这一点,但这是类似于咖啡因问题的一种情况,目前能模拟的规模非常有限。实现足够大规模的系统,估计是五年后的事了。

另一个是人工智能和机器学习。有一些机器学习问题可以尝试用量子系统解决,我们认为,比起标准系统上,用量子系统可以有更大的参数和特征空间集。大约六个月前我们刚刚发表了一篇论文。当然,具体应用,又得等个三到五年,甚至是五年后了。

还有一个我没有提到,但大多数人都认为是量子计算机的应用领域的是因式分解或加密,量子计算机有分解很大的数字的潜力,因此可以破坏互联网,破坏我们目前使用的加密系统。如果你有一个足够大的系统,就可以分解非常大的数字,因而我们在互联网上使用的当前加密系统将变得可破解。但要达到这一目标,需要一个包含有数千、甚至数百万个量子比特的系统,并且必须是非常强健的、无误差的量子比特,我们目前无法实现这一点。距离实现这样大的系统,至少有10年,甚至15年或20年。

同时,我们现在可以在经典系统上使用一些加密方法,这些经典系统不能很好地映射到量子计算机上。即使你有一个非常大的系统,它们也不会受到攻击。例如,一种称为格密码的密码学形式。我们有足够的时间来实施这些事情。事实上,我们与客户(我们的许多客户都是大型行业或政府参与者)谈论过,现在担心量子计算机会破坏互联网还为时过早。

如果您正在存档数据,或者您有想要确保在未来10年、15年、20年内保持安全和隐私的数据,考虑加密这些数据并使用类似于格密码技术的方法不算太早,并且是非常可行的。15年后,当量子计算机出现时,你不会想回去重新加密你档案中的所有数据。因此,目前是时候考虑这些问题了。

问:现在IBM内部对量子计算这项工作的投入有多大?

答:这是一个我们关注的主要焦点技术。我们在约克城高地实验室进行了大量的工作,在奥尔巴尼实验室和苏黎世实验室也进行了一些软件的研发工作。创建这一庞大的大学和公司联合网络的部分原因是我们需要很多人在许多不同的空间进行工作。当然,我们将继续推进IT的硬件研究,以及继续启用算法和软件开发工作,但我们希望有很多人在那里构建应用程序,因为这就是我们将如何使用它的方法。

问:到目前为止,你们已经做了多少年了?

答:可以说,我们从1981年开始就在研究这个问题。1981年,一群物理学家举行了一次非常著名的会议。它是由麻省理工学院和IBM共同赞助的。Richard Feynman是一位相当著名的物理学家,他首次提出了量子计算的概念。他说他认为用量子效应进行计算是有意义的。他还曾指出,如果你想做化学模拟的话,可能有必要使用这些方法。

这个想法就像春雨一样迅速渗透到地下。人们开始把建造量子计算机所需要的一些想法结合起来,90年代为IBM工作的物理学家David Divincenzo提出了一套建造量子计算机所需要的五个标准。早在90年代末,我们就利用离子阱技术(一种完全不同的技术)建立了我们的第一个7量子比特系统,以证明这是可能的。它不是特别实用,但它证明了这个概念。

就你在会场看到的版本而言,我们在六、七年前就开始研究这个版本了,为了弄清楚如何建立基于超导传输(superconducting transmon)的系统的,这就是我们设备底部的东西。我们六、七年前就开始建造,正如我所说,2016年5月,我们推出了第一个系统。

IBM Q System One是我们的第一个商业级版本,它将在不久的将来上线。这将是为许多人想要的一个更强大的系统。我们希望借此继续把研究成果推广到更多的公司,这些公司虽然没有深入到量子计算领域,但具备多重商业性质(generalist)。

问:早期有很多人对此持怀疑态度。你们克服了哪些里程碑,帮助战胜了一些怀疑?

答:量子计算技术正在逐步向前发展。很多人对此持怀疑态度,因为只有两种已知的算法在理论上被证明在量子计算机上更快。Shor算法,即因子分解,和Grover算法,一种搜索算法。然而就是否真的会更快而言,其他一切算法都是还未被证实。

我们现在开始看到有人发表论文,“嘿,我刚刚做了这个,如果你把它扩展到一定数量的量子比特系统,它比你在经典系统上可能做的要好。”人们开始进行量子模拟,并表明能做到这一点,借此打破了一些怀疑论。

另一件事是,我们开始了我们自己的量子体积增长路线图。也就是说,在我们增加量子比特数的同时,寻找降低错误率的方法。这表明你可以追制造越来越深的线路,进行越来越复杂的算法。这些东西结合在一起开始让人们觉得,“好吧,这看起来更真实了。”没人知道我们最终会走向何方,但人们开始看到,如果你把它与经典计算巧妙地结合起来,你可以得到一些貌似可行的东西。

问:你能从中得到摩尔定律的好处吗?

答:不能得到直接的好处。可能是因为没有直接模拟。但有一件事我们正在研究,我们希望每年量子体积翻倍,就像摩尔定律将元件数量翻倍一样。但这是一个更复杂的问题,因为要使量子体积翻倍,你不仅需要增加量子比特数量——这相对比较简单,因为与我们所做的相比,它们的体积已经算是很大了——它们40nm的范围内运行,而摩尔定律现在已经降到10nm以下。我们可以很容易地制造更多的量子比特。这不是问题。但是如果我们不提高量子比特的错误率,那么拥有更多的量子比特就没有帮助,所以必须降低错误率。

我们希望能找到方法,在有规律的基础上继续提高这个误差率,因此它可以让量子体积在摩尔定律的模式上得到改善。但现在所涉及的物理是完全不同的。

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