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谁能先造出世界最好量子计算机?IBM与谷歌展开

【编者按】自美国加州理工学院物理学家约翰·普雷斯基尔(John Preskill)于2012年提出了“量子霸权”的观点以来,谷歌、IBM、英特尔、微软、亚马逊以及诸多始创公司就开始加大年夜对量子谋略的投资和研发,该领域的竞争也变得日益猛烈。今朝,谷歌和IBM毫无疑问处于领先职位地方。IBM是大年夜型机和超级谋略机领域无可争议的霸主,而谷歌在去年10月份传播鼓吹实现了“量子霸权”。如今,两家公司正展开针锋相对的比力,看谁能首先造出天下上最好、具有实用意义的量子谋略机。双方采纳了不合的办理规划,同时也面临着许多合营和各自必要降服的寻衅,那么它们终极谁能在这场竞争中胜出?

谷歌最先辈的电脑不在该公司位于美国加州山景城的总部内,也不在狂热伸展的硅谷的任何地方。从圣芭芭拉往南驱车几个小时,你就会来到一个外面上显得平白无奇的办公园区,这里入驻的大年夜多也是你从未据说过的科技公司。

在这个园区的一间开放式办公室里,有几十张办公桌,还有室内自行车架和指定的“冲浪板泊车场”,冲浪板放在从墙上伸出的支架上。宽大年夜的双扇门通向一个宽敞课堂大年夜小的实验室,在那里的谋略机机架和紊乱的仪器中,有些圆柱形、比油桶稍大年夜的容器吊挂在减震装配上,就像伟大年夜的钢蛹。

此中的一个圆柱形容器外壳已经被移除,露出了里面由钢和黄铜组成的多层次、错综繁杂的内部布局,它被称为“枝形吊灯”。这基础上便是台超级冰箱,越往下层温度越低。在底部,维持在绝对零度以上、大年夜约只有头发宽度大年夜小的真空中,可以用肉眼看到类似通俗硅片的器械。但它上面没有蚀刻晶体管,而是由微小的超导电路构成。在这种低温下,这些电路的体现就似乎它们是遵守量子物理定律的单个原子。它们便是所谓的量子比特,即量子谋略机的基础存储单元。

2019年10月尾,谷歌发布,该公司使用名为Sycamore的芯片,经由过程履行在传统谋略机上险些弗成能完成的义务,首次实现了“量子霸权”(quantum supremacy)。根据谷歌的说法,用53个量子比特,Sycamore在几分钟内完成了一项谋略,而这项义务必要天下上现存最强大年夜的超级谋略机Summit谋略1万年光阴。

谷歌传播鼓吹这是个重大年夜冲破,以致将它与苏联发射首颗人造卫星或莱特兄弟进行首次飞行相提并论,并称掀开了新机械期间的序幕,它将使当今最强大年夜的谋略机看起来像逾期的算盘。

在圣巴巴拉实验室举行的新闻宣布会上,谷歌团队开心地回答了记者的提问,问答环节持续了近三个小时。但他们的风趣粉饰不了心坎的首要。由于就在两天前,谷歌在量子谋略领域的主要竞争对手IBM的钻研职员破坏了它的重大年夜发明。他们颁发了一篇论文,责备谷歌给出了差错谋略。IBM觉得,Summit只必要几天光阴就可以复制Sycamore的成绩,而不必要上万年。当被问及对IBM的质疑有何见地时,谷歌团队认真人哈特穆特 尼文(Hartmut Neven)克意逃避了直接回答。

你可以觉得这只是一场学术争辩,从某种意义上说也确凿如斯。纵然IBM的狐疑是对的,Sycamore的谋略速率仍旧比Summit快1000倍。大概仅仅几个月后,谷歌就会造出体型稍大年夜的量子谋略机,向狐疑者证实自己。然而,IBM更深层的否决意见并不是谷歌的实验没有传播鼓吹的那么成功,而是它首先便是个毫无意义的测试。

与大年夜多半量子谋略领域不合,IBM并不觉得“量子霸权”是该技巧领域的莱特兄弟时候。事实上,IBM以致不信托会有这样的时候。相反,IBM追求的是一种完全不合的成功衡量标准,即所谓的“量子上风”(quantum advantage)。

这不仅仅是语言上的不合,以致也不是科学上的不同,而是在哲学态度上的对立,它植根于IBM的历史、文化和大志壮志中。大概还有这样一个事实,即八年来,IBM的收入和利润始终鄙人降,而谷歌及其母公司Alphabet的营收数字却在增长。在这样的背景下,以及各自设定的不合目标,可能会影响双方在量子谋略角逐中究竟哪一方会胜出。

规模庞大年夜的实验

量子谋略机的基础构件便是量子比特。在传统谋略机中,一个通俗比特只能存储0或1,而量子比特不仅可以存储0或1,还可以存储介于两者之间、被称为“叠加”的状态,这可以假设许多不合的值。这里我们可以类比下,假如信息是彩色的,那么通俗比特可所以玄色的,也可所以白色的。而当量子比特处于叠加状态时,它可所以光谱上的任何颜色,也可所以亮度不合的颜色。

结果是,与通俗比特比拟,一个量子比特可以存储和处置惩罚大年夜量的信息,而且当你把量子比特连接在一路时,容量会成倍增长。在谷歌Sycamore芯片上以53个量子比特来存储所有的信息,将必要大年夜约72PB(720亿GB)的传统谋略机内存。不必要太多的量子比特,其谋略和存储能力就可以与星球大年夜小的传统谋略机相媲美。

当然,量子比特并非没有毛病。因为量子比特脆弱且易受滋扰,是以必须与热量、振动和杂散的原子完全隔离,是以才有了谷歌量子实验室里的“枝形吊灯”冰箱。即便如斯,它们最多也只能事情几百微秒,然后就会“退化”(decohere),掉去叠加状态。

量子谋略机并不老是比传统谋略机快。它们只是有所不合的机械,有的更快,有的更慢,并且必要不合种类的软件。为了对照它们的机能,你必须编写一个近似模拟量子谋略机的经典法度榜样。

在实验中,谷歌选择了一个叫做“随机量子电路采样”的基准测试。它孕育发生了数百万个随机数字,但带有稍微的统计误差,而这恰是量子算法的特征。假如Sycamore是个袖珍谋略器,它就相称于随机按下按钮,然后反省显示器是否显示了预期的结果。

谷歌在它自己的大年夜型办事器场和天下上最大年夜的超级谋略机Summit(位于橡树岭国家实验室)上模拟了部分历程。钻研职员预计,完成整项耗时200秒的谋略事情,将花费Summit大年夜约1万年的光阴。瞧,这便是“量子霸权”。

那么IBM否决的是什么呢基础上,让传统谋略机模拟量子谋略机有不合的措施,你编写的软件,你瓜分和存储数据的要领,以及你应用的硬件都邑对模拟运行的速率孕育发生很大年夜影响。IBM表示,谷歌假定模拟必要被瓜分成许多块,但拥有280PB存储空间的Summit足以同时保存完备的Sycamore状态。IBM建造了Summit,以是它对此异常懂得。

在最基础的层面上,传统谋略机中的软件是一系列逻辑门,如NOT、OR和NAND,它们改变比特的内容(0或1)。同样,量子软件由感化于量子比特的一系列逻辑门组成,但它有一组更大年夜、更奇特的门,它们的名字分手是SWAP(互换周围两个量子比特的值)、Pauli-X(翻转量子比特的值的NOT门量子版本,)和Hadamard(将量子比特从0或1转换为0和1的叠加状态)。到今朝为止,还没有像C++或Java这样的高档说话的量子编程说话,但谷歌和IBM都创建了图形界面,这让应用GATES进行编程变得轻易。

量子比特存储信息的要领就像筛子存储水一样,纵然是最稳定的量子态也会在几百微秒内“退化”,或者从脆弱的量子态跌落。以致在那之前,差错就开始聚积。这意味着一台量子谋略机只能做固定量的谋略,然后就会逐步停下来。谷歌的更大年夜芯片在30到40微秒后“退化”,足够它们运行40个量子逻辑门序列。IBM的芯片可达500微秒,但它们处置惩罚逻辑门的速率也更慢。

截然不合的理念

IBM位于纽约市北部郊区的托马斯-沃森钻研中间(Thomas J. Watson Research Center)曲线柔美,轮廓分明,它是芬兰修建师埃罗·沙里宁(Eero Saarinen)的新未来主义佳构,但它与谷歌团队绝不起眼的掘客事情相去甚远,两者以致有着天地之别。这栋修建于1961年竣工,当时大年夜型机为IBM带来大年夜量财富,使它具有博物馆般的品德,提醒每个在里面事情的人,公司在从分形几何到超导体再到AI和量子谋略的各个领域都取得了冲破。

这个拥有4000人的钻研部门的认真人是西班牙人达里奥·吉尔(Dario Gil),他讲话的语速很快,老是能让人感想熏染到其彭湃的激情。每次与他交谈时,他都邑滔滔一向地讲述许多历史里程碑,意在强调IBM介入量子谋略相关钻研的光阴已经足够漫长。

但在以前的几十年里,IBM在努力将其钻研项目转化为商业成功方面却不尽如人意。以近来的超级谋略机Watson为例,IBM试图将其转变为机械人医学大年夜师。它的目的是供给诊断和识别海量医疗数据的趋势,但只管与医疗办事供给商建立了数十个相助伙伴关系,却很少有商业利用。纵然呈现了一些商业利用,也孕育发生了短长参半的结果。

按照吉尔的说法,量子谋略团队正试图经由过程同时进行钻研和营业开拓来突破这种轮回。险些在量子谋略机投入应用后,该公司就开始把它们放到云上,让外界可以造访它们。在云端,它们可以经由过程一个简单的、在web浏览器上运行的拖放界面进行编程。

2016年推出的“IBM Q体验”(IBM Q Experience)现在包括15台公开可用的量子谋略机,大年夜小从5个量子比特到53个量子比特不等。每月约有12000人应用它们,包括学术钻研职员、门生等不合人群。在小型机械上的光阴是免费的,但IBM表示,已经有100多家客户为应用更大年夜的量子谋略机付费。

除了谷歌的Sycamore之外,这些设备或者天下上任何其他的量子谋略机都还没有显示出它们可以在任何方面打败传统谋略机的能力。对IBM来说,这不是现在的重点。让这些机械在网上可用,可以让该公司懂得未来的客户可能必要什么,并容许外部软件开拓职员进修若作甚他们编写代码。这反过来又匆匆进了它们的成长,使后来的量子谋略机变得更好。

该公司觉得,这个周期是通向所谓“量子上风”的最快路径。将来,量子谋略机不必然会把传统谋略机远远甩在后面,但会以更快或更高效的要领做些有用的工作,这足以让它们在经济上孕育发生足够高的代价。只管“量子霸权”是单一的里程碑,但IBM觉得,“量子上风”是“继续性的里程碑”,是个徐徐扩大年夜的可能性天下。

这便是吉尔关于IBM的大年夜统一理论:经由过程结合它的传统、技巧专长、其他人的智力以及其对商业客户的奉献,该公司可以比任何人更快、更好地构建有用的量子谋略机。

美国德克萨斯大年夜学奥斯汀分校物理学家斯科特·亚伦森(Scott Aaronson)说,从这种不雅点来看,IBM觉得谷歌的“量子霸权”演示只是“室内把戏”。在最好的环境下,这只是一种从真正必要进行的事情中转移留意力的浮华征象。在最坏的环境下,这以致是一种误导,由于它可能会让人们觉得量子谋略机可以在任何工作上击败传统谋略机,而不是局限于异常狭隘的义务上。吉尔说,对付“霸权”这个词儿,"民众,"很可能孕育发生误解。当然,谷歌对此的见地截然不合。

谷歌的量子钻研过程

谷歌在2006年第一次开始钻研量子问题时,照样刚刚成立8年的始创公司,它直到2012年才成立了专门的量子实验室。同年,美国加州理工学院的物理学家约翰·普雷斯基尔(John Preskill)创造了“量子霸权”这个术语。

谷歌用于实现“量子霸权”的设备

谷歌量子实验室的认真人是哈特穆特·尼文(Hartmut Neven),他是一名德国谋略机科学家,以严峻著称,爱好“火人节”式的时装,无意偶尔候他会穿戴毛茸茸的蓝色外套,以致穿戴全银色的服装,让他看起来像个恶浊的宇航员。

起先,尼文购买了外部公司D-Wave制造的机械,并花了一段光阴试图在其上实现“量子霸权”,但没有成功。他说,2014年,他说服时任谷歌首席履行官的拉里·佩奇(Larry Page)投资建造量子谋略机,并允诺谷歌将吸收普雷斯基尔的寻衅。奈文回忆称:“我们奉告佩奇,三年后我们会回来,在你的桌子上放上原型芯片,至少可以谋略传统谋略机无法处置惩罚的问题。”

因为短缺IBM的量子专业常识,谷歌从外部聘用了一个团队,由加州大年夜学圣巴巴拉分校物理学家约翰·马提尼斯(John Martinis)引导。马提尼斯和他的团队已经是天下上最好的量子谋略机制造团队之一,他们成功地将9个量子比特串在一路,而尼文对佩奇的允诺彷佛是他们值得追求的目标。

三年的着末刻日延迟了数次,马提尼斯的团队努力研发一个足够大年夜、足够稳定的芯片来欢迎寻衅。2018年谷歌宣布了迄今为止最大年夜的处置惩罚器Bristlecone。它拥有72个量子比特,远远领先于竞争对手的任何产品。马提尼斯猜测,它将在同一年实现“量子霸权”。但团队中有几小我不停在并行地钻研另一种名为Sycamore的芯片架构,这种架构终极证实可以用更少的量子比特做更多的工作。是以,这种有53个量子比特的芯片终极在去年秋日证清楚明了它的良好性。

实际上,在那个演示中应用的法度榜样根本没有任何用途。它天生随机数字,这不必要量子谋略机也能做到。然则,它以一种传统谋略机很难复制的特殊要领天生它们,从而建立了观点证实。

扣问IBM员工他们对这一成绩有何见地,你会露出苦楚的神色。IBM量子团队认真人、措辞审慎的澳大年夜利亚人杰伊 甘贝塔(Jay Gambetta)说:“我不爱好‘量子霸权’这个词,也不爱好它的含义。”他说,问题在于,险些弗成能猜测任何给定的量子谋略对传统机械来说是否艰苦,以是在一种环境下展示它并不能赞助你证实其在其他环境下是否适用。

许多IBM以外的人觉得,该公司这种回绝将“量子霸权”视为重大年夜成绩的做法近乎固执。尼文说:“任何想要得到商业利益的人,都必须首先展示自己的上风。我觉得这只是基础的逻辑。”纵然是这场争辩最公正的察看者、麻省理工学院物理学家威尔·奥利弗(Will Oliver)也说“在某些义务上,无论什么义务,量子谋略机的体现都优于传统谋略机,这是一个异常紧张的里程碑。”

量子飞跃

奥利弗说,不管你是批准谷歌的态度照样IBM的态度,下一个目标都是明确的,也便是建立可以做些有用工作的量子谋略机。人们盼望,这些机械有一天能够办理更多问题,这些问题现在必要更强大年夜的谋略能力,比如模拟繁杂分子以赞助发明新药和新材料,或者实时优化城市交通流量以削减拥堵,或者进行经久的气象预告。

IBM的电路组合器

问题是,我们险些弗成能猜丈量子谋略机第一个有用的义务是什么,或者必要多大年夜的谋略机来履行它。这种不确定性与硬件和软件有关。在硬件方面,谷歌觉得它今朝的芯片设计可以容纳100到1000个量子比特。然而,就像汽车的机能不仅仅取决于引擎的大年夜小一样,量子谋略机的机能也不仅仅取决于量子比特的数量。还有很多其他的身分必要斟酌,包括“退化”必要多长光阴,掉足的可能性有多大年夜,运行的速率有多快,以及它们之间是若何互相联系的。这意味着本日运行的任何量子谋略机都只能发挥其整个潜力的一小部分。

与此同时,用于量子谋略机的软件就像机械本身一样,还处于起步阶段。在传统谋略中,编程说话现在已经从早期软件开拓职员必须应用的原始“机械代码”相差了几个层次,由于数据若何存储、处置惩罚和转移的细节已经标准化了。谷歌团队的软件认真人戴夫·培根(Dave Bacon)说:“在传统谋略机上,当你给它编程时,你不必知道晶体管是若何事情的。”

而在另一方面,量子代码必须高度定制,以适应它所运行的量子比特,以便最大年夜限度地发挥它们无法猜测的机能。这意味着IBM芯片的代码不能在其他公司的芯片上运行,纵然是优化谷歌53量子位Sycamore的技巧,也不必然会在未来的100量子比特机械上运行得很好。更紧张的是,这意味着没有人能够猜测这100个量子比特能够办理的问题有多艰苦。

人们最大年夜胆的盼望是,在未来几年内,拥有几百个量子比特的谋略机将被用来模拟一些中等繁杂的化学历程,这以致可能足以推动对新药或更高效电池的钻研。然而,“退化”和差错累计将使所有这些机械在它们能够做任何真正艰苦的工作(如破坏密码学)之前竣事事情。

这将必要一台“容错”量子谋略机,它可以矫正差错,并像传统谋略机一样无限日地运行。预期的办理规划将是创建冗余,纵然数百个量子比特在共享量子态中作为一个量子比特运行。总的来说,它们可以矫正单个量子比特的差错。当每个量子比特“退化”时,它的邻居们就会把它带回来,继承介入到永不停止的互相苏醒的轮回中。

大年夜多半人猜测,必要多达1000个相连的量子比特才能达到这种稳定性,也便是说,要制造出一台拥有1000个量子比特能力的电脑,你实际上必要容纳100万个量子比特。尼文说,谷歌“守旧地”预计,它可以在10年内构建拥有100万个量子比特的处置惩罚器,只管有些重大年夜的技巧障碍必要降服,此中包括IBM可能仍有逾越谷歌的上风。

到那时,很多工作可能已经改变了。今朝谷歌和IBM应用的超导量子比特可能被证实是他们那个期间的真空管,被更稳定靠得住的器械所取代。天下各地的钻研职员都在试验各类制造量子比特的措施,虽然很少有先辈到足以制造出可以事情的电脑的水平。Rigetti、IonQ或Quantum Circuit等竞争对手可能会在某项特定技巧上发挥上风,逾越更大年夜的公司。

采纳不合办理规划

谷歌和IBM应用的超导量子比特险些是相同的,只有一个细微但可能至关紧张的差别。在谷歌和IBM的量子谋略机中,量子比特本身都是由微波脉冲节制的。微小的制造缺陷意味着,没有两个量子比特会对频率完全相同的脉冲做出相应。对此有两种办理规划:1)改变脉冲的频率,找到每个量子比特的最佳位置,就像努力哆嗦严重损毁的钥匙直到它打开锁。2)使用磁场将每个量子比特“调”到精确的频率。

IBM应用了第一种措施,谷歌则采纳第二规划。每种措施都有优毛病:谷歌的可调量子比特事情得更快、更正确,但它们不太稳定,必要更多的电路。IBM的固定频率量子比特更稳定、更简单,但运行速率更慢。从技巧角度来看,至少在今朝这个阶段,这险些是一场胜负难分的比赛。然而,就企业理念而言,这是谷歌和IBM之间的不合之处。或者更确切地说,这便是量子比特的特点。

谷歌选择了变得更机动。尼文说:“总的来说,我们的理念更倾向于前进可控性,而不是就义人们平日探求的数字。”另一方面,IBM选择了靠得住性。吉尔说:“做一个局限于实验室的实验和颁发一篇论文,与建立一个靠得住性高达98%的系统,而且可以不停运行,这两者之间有着伟大年夜的差别。”

现在,谷歌盘踞了上风。不过,跟着机械变得更大年夜,上风可能会转向IBM。每个量子比特由它自己零丁的导线节制,可调量子比特必要一根额外的导线。弄清楚数千或数百万量子比特的线路将是两家公司面临的最艰难技巧寻衅之一。IBM表示,这是他们采纳固定频率量子比特的缘故原由之一。谷歌团队的认真人马提尼斯说,以前三年里,他小我不停在努力探求布线办理规划。他开玩笑说“这是一个如斯紧张的问题,我为此付出了努力。”

新的摩尔定律

IBM没有谋略量子比特数量,而是追踪它所称的“量子体积”(quantum volume),这是一种丈量谋略机实际能处置惩罚的繁杂程度的措施。它的目标是使这项衡量标准每年翻一番,这是闻名“摩尔定律”的量子版本,IBM将其命名为甘贝塔定律”(Gambetta‘s Law),以其首席量子理论家杰伊·甘贝塔(Jay Gambetta)的名字命名。到今朝为止,这个定律已经维持住了三年。这和戈登·摩尔(Gordon Moore)在1965年提出摩尔定律时的环境差不多。

IBM采纳所谓的“量子体积”作为衡量谋略机处置惩罚能力的标准

但斟酌到它们的规模和巨额财富,谷歌和IBM都有时机成为量子谋略营业的紧张介入者。企业将租用它们的机械来办理问题,就像它们今朝从亚马逊、谷歌、IBM或微软租用基于云谋略技巧的数据存储和处置惩罚能力一样。物理学家和谋略机科学家之间的战斗将蜕变成商业办事部门和营销部门之间的竞争。

那么,哪家公司最有可能赢得这场比赛跟着收入的下降,IBM可能比谷歌更有紧迫感。该公司从苦楚的经历中知道了迟钝进入市场必要付出的价值:去年夏天,IBM斥资340亿美元收购了开源云办事供给商红帽(Red Hat),这是它有史以来最昂贵的一笔收购,目的是在该领域遇上亚马逊和微软,旋转其财务命运。IBM将量子机械放到云端并从一开始就建立付费营业的计谋,彷佛是为了让它有个优越的起头。

谷歌近来开始效仿IBM的计谋,其商业客户现在包括美国能源部、大年夜众和戴姆勒。马提尼斯说,谷歌没有更早这么做的缘故原由很简单“我们没有把它放到云真个资本。但这可能还有另一种说法,即它不必优先斟酌营业成长。

这一抉择是否会给IBM带来上风还很难说,但更紧张的可能是这两家公司在未来几年将若何运用其他上风来办应当前寻衅。吉尔表示,IBM将受益于其在从材料科学、芯片制造到办事大年夜企业客户等各个领域的“全套”专业常识。另一方面,谷歌拥有硅谷式的立异文化和大年夜量快速扩大营业的实践。

至于“量子霸权”本身,它将是一个紧张的历史时候,但这并不料味着它将是个抉择性的时候。终究,每小我都知道莱特兄弟的第一次飞行,但谁能记得他们后来做了什么?

责任编辑:焦旭

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