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IonQ发布了一种截然不同的量子计算机 还宣称IBM、谷歌已走上绝路?

2019-05-08 08:56


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世界上一些最大的IT公司都正在研究量子计算,这并非偶然。

特别是谷歌、IBM和Intel,它们有能力为各自的工作投入大量的资源,并且在过去的几年中,它们都展示了令人印象深刻的进展。

尽管目前人们对于量子计算的大部分关注都放在了这三家领头公司身上,但要判断哪些公司将会主导这一新兴市场还为时尚早。

这主要是因为,到目前为止,对于哪种技术方法能够使通用量子计算在商业上可行还没有真正的共识。

目前的量子计算进展

目前,IBM、谷歌、英特尔以及Rigetti都在开发各种固态量子处理器。在今年的CES消费电子展上,IBM还展示了目前全球唯一一台脱离实验室环境运行的量子计算机“IBMQSystemOne”。

虽然这种方法建立在数十年硅基半导体和大规模集成的经验基础上,但这种技术要求将芯片冷却到接近绝对零度,并使用积极的误差校正技术来保持量子位元的正常工作。

通常,为了使其保持低温,量子计算机需要装在巨型冷却设备中,这种极其苛刻的环境也遏制了它的商业化进程。

近几年,谷歌和微软也先后发布了72位量子处理器Bristlecone和量子计算编程语言。

今年2月,中国科学技术大学杜江峰院士团队首次在室温大气条件下实现可编程量子处理器,该成果证明量子计算可以脱离苛刻的运行环境,在常规环境中实现计算,并摆脱之前每进行一次运算就要改变硬件配置的模式,为量子计算的室温研究开辟了新的道路。

合肥本源量子公司也发布了我国首款量子计算机控制系统‘OriginQQuantumAIO’,其体积与20寸行李箱相差无几,并计划在未来三年左右推出量子计算机原型机。

如果量子处理器运算错误率极低,它在解决一个定义明确的计算科学问题时就能够胜过传统的超级电脑,这就是著名的“量子霸权”。

尽管谷歌曾表示,审慎乐观地讲,Bristlecone处理器能够实现“量子霸权”;IBM也制定了雄心勃勃的时间表称要在2020 年代实现量子霸权,但实际上还未有研究者目前能够做到。

对于IBM最新发布的IBMQSystemOne的计算能力,也有外国媒体质疑它目前的性能可能还“不如我们常用的便携轻薄笔记本”。

量子人工智能实验室表示,硬件和软件的整合是这一过程的关键环节,量子计算能够解决目前电脑无法解决的问题前也许还需要“数次迭代”。

初创公司IonQ的想法

巨头们所采用的固态量子处理器方法的一个显著例外是,一个名为IonQ的启动项目正在进行中,该项目使用悬浮在真空中的镱原子将捕获的离子用于量子位。

在这里,处理是通过使用激光束完成的,激光束应用于原子量子位元来存储和检索信息,执行逻辑操作,并将它们连接到特定的电路中。

在最近与初创公司IonQ首席执行官兼联合创始人克里斯·门罗(Chris Monroe)的一次谈话中,他解释了为什么他认为这种方法最有可能进入商业量子计算领域。

由于激光束是在程序控制下的(使用传统的计算机),量子硬件可以动态构建,从而优化应用程序的电路布局。

量子计算旨在应用于量子化学、物流、机器学习和密码学等领域的广泛优化问题,因此能够像FGPA一样用软件设计硬件是IonQ区别于其竞争对手的另一种方式。

如果门罗和他的公司能够超越规模更大、资金更充足的竞争对手,那并不是因为IonQ的工程师是更好的量子物理学家。

事实上,门罗说,将处理器扩展到可以运行实际生产应用程序的东西所面临的挑战并不需要更高质量的量子位元(原子在这方面表现完美),而是更精细的光学控制。

这主要是为了减少激光的噪音和运动,这只需要更好的工程设计,而不是新材料或突破性的物理发现。

IonQ目前运行三种设备。他们最好的系统可以一次运行10或20个量子位元,并运行数百个操作。

在基准测试中,他们证明了单量子位的平均保真度为99.5%,双量子位的保真度为97.5%,而量子态制备和测量误差仅为0.7%。

这和迄今为止任何固态量子器件所能达到的效果一样好,甚至更好。

门罗说,他们有信心,只要改进光学控制系统,他们就可以把运算规模扩大到几百个量子位元和数万次运算,而不需要任何误差校正。

“从长远来看,这可能还不够好,”他承认,“但我们可以用它来解决一些有趣的问题。”

他们的长期目标是建立能够执行数百万甚至数十亿次操作的系统,为此,门罗说,他们确实必须采用纠错技术。

但据他说,这些系统每个可用量子位可能只需要10或20个量子比特,这比用固态量子器件校正误差所需的量子位要低几个数量级。

事实上,门罗认为科技巨头们所研究的固态量子计算处理器的尽头将会是一条___。

如果他们不能改善这些系统目前2%的错误率,他认为将需要太多的量子位元来纠正错误,从而使只有少量量子位元能够用于逻辑操作。

这种方法的一个令人困惑的问题是,由于量子位方差和串扰的增加,需要更多的纠错量子位,但随着量子位元的增加,错误率又将趋于上升,陷入死循环。

他说:“这是一个非常棘手的尺度问题。”

这种新设想仍有待实践检验

IonQ需要在第三方可用性方面赶上竞争对手。

IBM和谷歌,甚至是初创公司Rigetti,都已经将他们的量子机器提供给了研究人员,甚至一些潜在的早期客户。

IBM在这方面走得最远,其面向付费客户的商业网络Q Network吸引了几家大公司,如摩根大通(JP Morgan)、三星(Samsung)和埃克森美孚(ExxonMobil)。

自2016年成立以来,IonQ及其35名员工一直专注于构建测试和进一步改进的初始系统。

到目前为止,公司的战略是将公司的所有资源尽快投入到平台的开发中,以避免阻碍技术进步。

门罗说,在这段时间里,他们已经烧掉了2000万美元风险投资的三分之二到四分之三,以推动这项技术的发展。

IonQ确实与一些能够特别访问其系统的学者建立了合作关系,但Monroe表示,他们现在认识到有必要向研究人员和商业组织提供更广泛的平台,这样他们就可以开始用实际的案例来实践他们的技术。

虽然目前还没有正式的消息,但这位首席执行官表示,正在制定相关计划,并暗示他们将在未来几个月宣布与一些富有的合作伙伴进行重要合作。

门罗说:“人们正在敲门,准备进入这些量子系统的世界。”

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