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听上去很玄乎的量子计算机,IBM 对大众开放了

图片:《甜甜私房猫》

重磅│在线量子计算机来了! IBM 首次将量子计算向大众公开

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编者按:本周三,IBM 的科学家首次将该公司的量子计算机接入云端服务向大众公开,IBM 相信几年之内就能开发出量子计算机的实验芯片。量子计算竞赛的号角已吹响。

目前,IBM 还没有正式公开体验量子计算服务的接口,但有兴趣的朋友可以登录:IBM Quantum 申请试用。

今天的互联网包罗万象,每一天都有新的设备,新的技术接入,可是 IBM 接入互联网的这台电脑却不太一样。它称得上是鹤立鸡群,傲视一切。这台由液氦冷却,拥有超导处理器,运用量子物理原理的计算机冲破了传统计算机运算能力的壁垒,开启了一个新时代。

杰瑞·周(Jerry Chow)带领的 IBM 量子计算机团队,在本周三启动了量子运算的网页界面,让外部的程序员和研究者通过算法来测试这块量子芯片。周对记者表示,“尽管量子计算云服务的主要目标人群是科学家和学生,但其实任何想要来一睹量子运算真容的人都可以试试。”

IBM 量子计算机专家杰瑞·周

虽然可能只是管窥一斑,但是周还是想让普罗大众,对这款颠覆型云端计算机的投入使用,以及之后带来的风起云涌有所准备。“我们想让大众开始拥有另一种思维,开始学习如何使用量子计算机编程。”

天壤之别的计算机

量子计算机和传统数字计算机是完全不同的。

拿杰瑞·周的话讲,传统经典的计算机,只能识别两个状态,0 或 1,或者说开或关。量子计算机所运用的是一种把 0 和 1 相结合而形成的复合状态。在某一时间点,这个状态可能是 1 也可能是 0,或者是他们两者之间的某个状态,也可以说这种状态是一种即是 1 又是 0 的不确定状态。

IBM 量子运算云服务的软件界面

这种复杂的状态被称为“量子纠缠态”,一些知名的量子算法都用到了它。

这里有必要解释一下数据传输过程中的纠错功能,这也是 IBM 研究团队解决的最困难的问题之一。毕竟,量子计算机的纠错计算要比传统计算机复杂太多。

现代储存与通信系统,一旦离开了纠错功能,都将无法运转。核心解决办法是在保留原数据结构的基础上,添加用于纠错的冗余信息,这样就可以很容易的判断数据是否损坏,而且在可能情况下利用冗余数据进行修复,而避免让对方重新发送。

传统通信中的常用的方式是抓取一组数据,比方说 4 个,通过对它们执行一系列的数学运算(通常是异或运算),来生成一个额外数据。一共 5 个数据同时发送给接收者后,再执行相同操作。

接收方执行相同操作后,是否得出了相同的第五个数据,即可判断原有 4 个数据中是否存在错误。因为计算顺序是已经预先设定好的,一旦出现错误,也可以通过第五个数据来进行修复,而代价仅仅是占用四分之一的信道容量,就可换取几乎没有错误的数据传输。

当然,这背后需要大量的数学计算细节来支撑,但你只要明白它确实管用就好了。举个例子,在微波通讯领域,没有这种纠错算法的情况下,数据传输的错误率可能在十亿分之一,而一旦开启了纠错,错误率会降低到万亿分之一,这就是差别。

然而,上面所讲的只是在传统通信和计算领域,下面,欢迎来到量子世界,一个完全不同的世界!

欢迎来到量子计算的世界

量子计算同样面临纠错问题,而且比传统计算更难解决。量子位的工作方法之一是通过超导量子干涉器,通常情况下 0 与 1 的能量差在这里变成了 10

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焦耳。在传统计算机系统中,我们可以通过改变电压 / 电流来轻易改变能量差。所以,我们通常以“伏特”这种简便的方式来衡量。

要在 0 和 1 之间实现与 10

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焦类似的能量差,传统芯片只需要做 10 微伏的栅电压调整即可。所以,传统芯片与量子芯片的运行能级差至少为 10000 的系数。

更糟的是,量子纠缠态并不是简单的 0 或 1 的概念,而是向 0 或 1 演化的一种可能性,而且这种可能性随时发生变化。我们可以拿两个状态相同的量子位来做测量,在不断重复测量后,会发现两个量子位的概率分布是相同的,当然,这是理论上的。在实际操作中,由于环境不完全相同,在某些时间点会出现不可预测的微小变化。

所以,在比特翻转错误的同时,你也会遇到相位翻转错误。这并不是由于某个特定比特值导致的,而是由于两个比特之间的关系出现了错误。

再回到纠错这个问题上来。正是因为上面所说的一大堆,才导致了量子电路纠错变得非常困难,同时却又非常必要。在传统计算机中,第一个处理器只执行最少量的(甚至不执行)纠错任务。而量子计算机则在一开始就要执行非常复杂的纠错。不光是翻转一个比特那么简单,你得知道不同量子位是如何随时间变化的,还要在测量它们之前纠正这种变化。

来解释一下这到底有多难。一个典型的量子位的生命周期为 50 微秒,外加 20 微秒的相干时间。这是啥意思呢?这就意味着一旦量子位被设定好,你必须在第一个 20 微秒内执行纠错,并在接下来的 50 微秒内完成某一阶段的计算任务。听起来还不算太糟哈?

但是…总是有个但是,操控量子位的方式,不管是执行逻辑运算还是纠错,都需要携带了能量的微波脉冲。可以是短时尖脉冲,也可以是长而缓的脉冲,只要是在相同的脉冲区域。不幸的是,短时尖脉冲会导致一系列问题,所以,典型的脉冲长度是 50-60 纳秒。

在 50 微秒内搞定所有事情的前提下,这意味着有总共需要运行 1000 次的计算和纠错。这就让上面提到的问题难上加难了。

向量子处理器发送脉冲的微波装置

IBM 解决的问题究竟有多难?

现在,“蓝色巨人”IBM 把这个“难上加难”的问题给解决了!通过对系统做大量简化,IBM 的研究团队将一个由 4 个量子位组成的数据簇,与另一个单独量子位进行耦合,称之为“综合比特”。这种“综合量子位”的状态取决于内部其他量子位状态。这种连通性被用来检测哪个量子位引发了错误,从而在计算完成之前对错误进行修正。

IBM 的概念听起来挺玄乎,其实真正的工作机制是这样的:量子位相当于在电子器件中来回振荡的电磁波,与邻近量子位释放的少量电磁波进行混合及耦合。如果这两个量子位状态相同,电磁波则处于同一相位,并向综合量子位发出很强的信号。同样的原理,另一组的两个量子位也将它们的信号组合发给综合量子位,这就是前文中所提到的“量子干涉”。

IBM 的系统最核心的地方在于,它可以在计算过程执行的同时进行纠错。简单的说:我们不需要读取量子位值,然后再去纠错。而是抢先测量到某个可能产生导致错误的电磁波的量子位,在干涉发生前就阻止它。研究人员虽然不知道每个量子位的状态,但他们知道如何翻转,以及量子位的相互驱动翻转率。他们就用这个原理来进行纠错。

由于量子计算机的运算原理与传统计算机大相径庭,所以它可以快速的处理一些需要同时运用数以亿计的变量的运算任务,比如运算化学中分子间的相互作用,在这点上,传统的计算机难以望其项背。

量子计算机同时也精于机器学习,在比如新药研发、新型信息安全,以及真正能够思考推理的智能计算机等领域都能大展拳脚。

工作原理不同,自然使用方法也必然不同。所以贴心的 IBM 同时也发布了一份指导你进行量子计算的网络教程,只需要高中的数学基础和一点点编程背景就能看懂。(杰瑞·周大牛推荐:编第一个量子程序前,最好去 Quora 上补习一下量子基础知识)

冷酷到底的计算机,真的冷到底!

量子计算机的搭建也非常不一样。虽然和经典计算机一样都是构建于硅晶片基础之上,但是真的在家里 DIY 不了,因为量子计算机的核心部件之一是铌、铝构成的超导金属,必须在极低温度下保存,只有在这种极端低温的情况下,它们才能呈现出量子特性。

所以重中之重的是一台能把计算机核心部件保持在只比绝对零度(零下 273 摄氏度)高 0.015 摄氏度的超级冰箱,比外太空都冷!

IBM 量子计算机的超级冰箱,几乎达到绝对零度,制冷效果傲睨外太空

这台接到云端的量子计算机拥有 5 个量子位,在现有量子计算机的家族里已经很强了(其他的一般只有 2 个量子位),但是其实运算能力并不能与一台平常的超级计算机相比。

超级冰箱的内部,IBM 科学家史蒂芬·飞利浦(Stefan Filipp)正对这台稀释制冷机进行调节

然而随着量子计算行业的发展,达到 50 个量子位的量子计算机只是时间问题,量子计算机的运算能力会成指数级提升,届时必将所向披靡。甚至无法想象如此之迅猛的计算机到底该解决什么样的问题。

量子计算机技术哪家强?Google 和 IBM 的竞赛号角已经吹响

在量子计算机领域的沙场上,群雄逐鹿,IBM,Google,微软以及其他很多专业团队都在致力于量子计算机的研发。

量子计算机能够解决很多传统计算机几乎不可能解决的问题,这项技术炙手可热,然而并不是所有的团队都能像 IBM 生产出这种芯片的,而且 IBM 仅仅向少数几个合作伙伴提供这款芯片,加拿大滑铁卢大学量子计算机中心的科学家戴维·克里(David Corey)这样说道,能够开发一款量子芯片,并且 24 小时在线稳定工作,“我不知道还有什么量子计算机系统能够达到这种稳定性”。

IBM 的量子计算机是基于耶鲁大学的罗伯特·薛尔考普夫(Robert Schoelkopf )教授的研究打造的,核心团队都是该教授的博士生和博士后。而 Google 是在 2014 年吸收了另一组研究量子计算机的高校团队:加州大学圣巴巴拉分校的约翰·马蒂尼斯( John Martinis)教授的团队。

IBM 今天也同时发布了第二款新型量子芯片的细节。周的团队声称,它比以前表现出了更好的纠错性,这一点对制造真正意义上能运用于通用领域的量子计算机至关重要。而这样一台通用型量子计算机一直没有出现,主要原因就是科学家没有掌握如何稳定量子的状态来表达数据。

IBM 量子计算机核心科学家团队:杰·甘贝塔(JayGambetta 左),马蒂亚斯·史蒂芬(Matthias Steffen),杰瑞·周(右)

尽管 IBM 的论文并没有完全公开,但是它发布的芯片已经表明,在这场与 Google 的竞赛中,IBM 已经先胜一筹。Google 在去年建立了一个新的量子芯片开发实验室,然而一台通用型量子计算机不是哪家公司能够一两天就能开发出来的,都需要时间。

一台真正实用意义上的量子计算机通常需要成千上万,甚至百万级的量子位,因为纠错编码需要极大的计算量。IBM 今天发布的量子芯片拥有 5 位量子位。Google 研发的拥有 9 位(Google 的位数虽高,但在业界对其通用性这点并不认同,它只能解决特定的问题)。

周的团队也瞄准了一些非通用量子处理器的应用,在量子计算领域,另辟蹊径。这种被称为模拟量子计算机的技术只需要较少的纠错代码,因此就不需要大量的量子位。虽然这种技术只能针对某些特定的问题,但是它也能大大推动诸如能源和材料研究的化学仿真,以及机器学习这些领域的发展。

量子运算科学家杰·甘贝塔(Jay Gambetta)用一台平板电脑通过云端控制量子计算机进行运算,是不是有点四两拨千斤的味道。

麻省理工学院副教授斯科特·艾隆森(Scott Aaronson)表示,这是个很值得研究的方向。当量子计算机发展到 50 量子位的时候,就能实现“量子称霸”,超过世界上任何传统计算机,能够解决任何传统计算机解决不了的问题。(去年 Google 曾经报道过他们运用 D-Wave 中另一种设计模式的量子处理器所实现的震撼结果,然而仍然与“量子称霸”相去甚远)

“第一次实现量子称霸必将成为物理学和计算机科学的一个里程碑,”艾隆森还说道,“虽然不能确定的说出时间,但是可以预见实现的时机不会远了。”

周和他的团队表示,可以预见他们实现这一点的时间不会太远,他说:“我们相信在接下来的几年内就能实现 50 个量子位。”而作为竞争者,另一边的 Google 量子计算机团队也瞄准了模拟量子处理器,并且预估在几年内将能生产 100 量子位的芯片。其他的量子计算专业团队,比如马里兰州大学也在致力于模拟量子处理器的开发。

说起这场地盘争夺战的现状,周表示,其实 Google 的目标和我们差不多。他觉得竞争是件好事,将能够使模拟量子处理器的用途更加清晰。“已经有很多公司取得了这项技术的知识产权,我认为来自各个团队更多的工作投入,将会使这项技术的前景更加明朗。”


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