量子計(jì)算的競(jìng)爭(zhēng)格局在2018年繼續(xù)升溫

2018年初，量子計(jì)算的競(jìng)爭(zhēng)格局繼續(xù)升溫。但當(dāng)下的量子計(jì)算格局就像是50年前的半導(dǎo)體芯片行業(yè)。

硅基集成電路（IC）于1968年進(jìn)入“中規(guī)?！奔呻A段。在短短幾年內(nèi)，單個(gè)芯片上的晶體管數(shù)量就從十個(gè)激增至數(shù)百個(gè)。一段時(shí)間后變成了數(shù)千個(gè)，然后是幾萬個(gè)，而現(xiàn)在——五十年后的今天——單個(gè)芯片上晶體管的數(shù)量已達(dá)數(shù)百億。

量子計(jì)算是量子物理的一個(gè)實(shí)際應(yīng)用，它將被冷卻到毫開爾文溫度的單個(gè)亞原子粒子作為計(jì)算元素（compute elements）。 這些亞原子計(jì)算元素被稱為“量子位”。量子位可以用CMOS技術(shù)制造，如標(biāo)準(zhǔn)IC。但若想在量子計(jì)算機(jī)極度寒冷的運(yùn)行環(huán)境中，通過互連、控制和傳感器電路來操縱和協(xié)調(diào)越來越多的量子位，需要新的科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展。

IBM 16量子位處理器(來源:IBM)

量子計(jì)算目前正處于量子位只有兩位數(shù)的時(shí)代。2017年，一個(gè)具有20個(gè)通用物理量子位的芯片橫空出世，「我」相信2018年，我們將見證具有超過50個(gè)通用量子位的芯片誕生。但是第一個(gè)面向大眾市場(chǎng)的通用量子計(jì)算機(jī)需由數(shù)千個(gè)邏輯量子位構(gòu)成。邏輯量子位是容錯(cuò)的，可以進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)并最終糾錯(cuò)。幾千個(gè)邏輯量子位至少可以轉(zhuǎn)換成幾萬個(gè)物理量子位——這取決于物理量子位構(gòu)造——數(shù)量級(jí)也可能更高。

IBM的量子計(jì)算機(jī)I / O子系統(tǒng)，用于獲取進(jìn)出毫開爾文液氦浴中的電信號(hào)（來源：TIRIAS Research）

事實(shí)上，從幾十演變?yōu)閹装賯€(gè)物理量子位需要一定的時(shí)間；從幾百到幾千則需要更長(zhǎng)的時(shí)間。專家們認(rèn)為，一個(gè)具有數(shù)千個(gè)邏輯量子位并可商業(yè)化部署的量子計(jì)算機(jī)問世至少需要十年的時(shí)間，甚至二十年。 “量子至上”很難一蹴而就。不過與此同時(shí)，許多供應(yīng)商正在取得令人矚目的進(jìn)展。

這是2018年初量子計(jì)算的記分卡。量子計(jì)算目前正處于快速擴(kuò)張階段，但當(dāng)數(shù)量較少時(shí)，快速增長(zhǎng)很容易。

量子系統(tǒng)之下

IBM和Rigetti推出了可用于公共和有限訪問使用的基于云的通用量子計(jì)算機(jī)（分別為20和19量子位系統(tǒng)），各自都有一個(gè)全棧軟件開發(fā)工具包（devkit）。 NTT推出了基于云的量子點(diǎn)和基于光子學(xué)的體系結(jié)構(gòu)，及其全棧開發(fā)套件（devkit）。 微軟和谷歌推出了他們的通用量子計(jì)算研發(fā)計(jì)劃以及全棧devkit和模擬器，但尚未公開展示硬件。英特爾展示了芯片原型，但還沒有進(jìn)行驗(yàn)證。 IonQ，Quantum Circuits和RIKEN正在投資硬件開發(fā)，但還沒有對(duì)外公布他們的工作。目前只有兩家公司在向客戶銷售專用系統(tǒng)，不過是否可以被稱為量子計(jì)算機(jī)仍存在爭(zhēng)議：D-Wave的量子退火架構(gòu)和Atos的專用量子模擬器。

D-Wave和NTT實(shí)現(xiàn)了2048個(gè)物理量子位，不過他們使用完全不同的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，而且他們的系統(tǒng)并沒有顯示出完全通用的量子計(jì)算能力。他們的架構(gòu)適用于解決優(yōu)化、分子動(dòng)力學(xué)、甚至深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練和推理任務(wù)等問題。

D-Wave量子計(jì)算芯片(來源: TIRIAS Research)

量子計(jì)算模擬

模擬數(shù)十個(gè)物理量子位需要大量的“傳統(tǒng)”計(jì)算能力，這相當(dāng)于當(dāng)下最先進(jìn)的基于IC的計(jì)算、內(nèi)存、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。如果研究人員可以真正構(gòu)建與當(dāng)前仿真系統(tǒng)一樣大的真實(shí)系統(tǒng)，這些“仿真軟件”可能比他們模擬的量子計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度慢幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

上周，來自Jülich超級(jí)計(jì)算中心，武漢大學(xué)和格羅寧根大學(xué)的歐洲研究人員組成的團(tuán)隊(duì)成功地模擬了一個(gè)46量子位的通用量子計(jì)算機(jī)。 這個(gè)模擬打破了美國能源部勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室4月份創(chuàng)下的 45量子位的記錄。去年7月，哈佛 - 麻省理工學(xué)院超冷原子中心和加州理工學(xué)院的一個(gè)美國團(tuán)隊(duì)模擬了一個(gè)51量子位量子計(jì)算機(jī)，但它是為了解決一個(gè)特定的方程，而不是通用的模擬。 去年11月，馬里蘭大學(xué)和美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的一個(gè)小組發(fā)表了一篇關(guān)于53量子位模擬器的論文，但它也是為了解決一個(gè)特定的問題。

同時(shí)，在云計(jì)算中，IBM在一臺(tái)經(jīng)典的超級(jí)計(jì)算機(jī)上內(nèi)部模擬了一個(gè)56量子位的通用系統(tǒng)。但是，在公開使用16量子位系統(tǒng)的情況下， IBM似乎并不重視Q Network項(xiàng)目之外的最終用戶仿真。 微軟新推出的量子開發(fā)套件支持在其Azure云中模擬“超過40個(gè)量子位”，其本地基于PC的模擬可以在16GB內(nèi)存中擴(kuò)展到大約30個(gè)量子位。 我不得不懷疑，微軟的Azure量子計(jì)算模擬是否與它最近與Cray的合作關(guān)系有關(guān)。Rigetti的基于云的Forrest模擬器可以模擬多達(dá)36個(gè)量子位。 Google的Quantum Playground可以模擬多達(dá)22個(gè)量子位。

通用芯片

2017年底，IBM推出了20量子位芯片，這是IBM Q Network發(fā)布的基石（詳細(xì)信息請(qǐng)參閱下面Q Network的公告）。IBM表示，他們已經(jīng)構(gòu)建好并在內(nèi)部測(cè)試了一個(gè)50量子位芯片。IBM Q Network的參與者可以訪問新的20量子位系統(tǒng)，隨著量子位芯片發(fā)展，他們還可以提前訪問50量子位芯片。

英特爾在去年十月份向其研究合作伙伴QuTech（荷蘭量子計(jì)算和量子互聯(lián)網(wǎng)研究中心）交付了一個(gè)17量子位的測(cè)試芯片，并于2018年初在消費(fèi)電子展（CES）上展示了一個(gè)49量子位芯片。Rigetti本周宣布，其19量子位芯片可用于云訪問（訪問需經(jīng)Rigetti批準(zhǔn)）。

Rigetti的芯片是20量子位架構(gòu)，其中一個(gè)量子位有一個(gè)制造缺陷，緊隨在IBM之后。谷歌已經(jīng)在內(nèi)部測(cè)試了6個(gè)、9個(gè)和20個(gè)量子位芯片，并且正在研究一個(gè)49量子位芯片，該芯片本計(jì)劃在2017年底交付使用，但并沒有如期發(fā)布。

Rigetti 20量子位芯片(左)，谷歌6量子位芯片及其載體 (中)，英特爾49量子位芯片載體(右)(來源:各自的制造商)

Atos表示，其40量子位模擬器基于英特爾的Xeon處理器，但專用硬件加速器“即將問世”。這并不奇怪，因?yàn)镮BM正在內(nèi)部使用其Power Systems在開發(fā)過程中模擬量子計(jì)算機(jī)。

量子軟件開發(fā)

在軟件方面，為了吸引學(xué)術(shù)研究人員到特定的體系結(jié)構(gòu)，開源關(guān)鍵代碼是必需的，因?yàn)檫@些研究人員在過去的幾十年里一直在開源內(nèi)部量子計(jì)算環(huán)境。

今年，IBM開放了QASM（Quantum ASseMbler），這是IBM QISKit（Quantum Information Software Kit）的一個(gè)關(guān)鍵部分 。XACC（EXtreme scale ACCelerator）連接到Rigetti的模擬器和原型芯片以及D-Wave的生產(chǎn)系統(tǒng)。 QuTiP（Quantum Toolbox in Python）是開源的量子計(jì)算模擬器，在各大量子計(jì)算硬件社區(qū)中使用（阿里巴巴、亞馬遜、谷歌、霍尼韋爾、IBM、英特爾、微軟、諾斯魯普·格魯曼、Rigetti和RIKEN的標(biāo)志都在其網(wǎng)站上出現(xiàn)）。

據(jù)推測(cè)，QuTiP正被用來模擬正在開發(fā)的硬件架構(gòu)。Google與Rigetti合作了一個(gè)編譯和分析量子化學(xué)問題的開源軟件包——OpenFermion。微軟則推出了Q＃（Q-sharp）量子計(jì)算語言（請(qǐng)?jiān)谙挛闹虚喿x有關(guān)微軟的更多信息）。相關(guān)的活動(dòng)還有很多，在此不再一一贅述。

關(guān)于中國

由于缺少量子計(jì)算機(jī)的出版物和公告，中國公司一直受到廣泛的關(guān)注。今年中國宣布成立了價(jià)值100億美元的量子信息科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室，并計(jì)劃于2020年開放。阿里巴巴、百度和騰訊在人工智能和深度學(xué)習(xí)投入了大量資金，希望今年可以聽到更多關(guān)于他們關(guān)注量子計(jì)算的消息。

最近的大公告

微軟宣布量子開發(fā)套件

微軟在二十年前——2000年——就開始從事量子計(jì)算工作。去年九月份，微軟在Ignite上宣布，它將在2012年發(fā)現(xiàn)的Majorana Fermions基礎(chǔ)上開發(fā)量子計(jì)算程序。如果微軟能夠利用Majorana Fermions，微縮邏輯量子位可能比替代量子位技術(shù)經(jīng)濟(jì)得多——僅需大約10個(gè)物理量子位到一個(gè)邏輯量子位，而不需成千上萬個(gè)。

微軟的Majorana Fermion量子計(jì)算原型芯片（來源：TIRIAS Research）

但是，在其大型的Majorana Fermion推出之后，微軟一直閉口不言其硬件進(jìn)展。 相反，微軟專注于量子模擬的新的Q＃語言，使其緊密融合其Visual Studio集成開發(fā)環(huán)境（IDE）和量子計(jì)算機(jī)模擬工具，包括分析資源利用率的跟蹤模擬器，以及大量的庫、代碼示例和所有的文件。

微軟的量子模擬器使用英特爾的高級(jí)矢量擴(kuò)展指令集，自2011年“Sandy Bridge”處理器一代以來，在英特爾處理器中得到了支持。 微軟去年也宣布了它的項(xiàng)目——基于FPGA的AI加速器的“腦波計(jì)劃”（“Brainwave”），并暗示它正在Brainwave上運(yùn)行“量子啟發(fā)優(yōu)化”。我的猜測(cè)是，微軟正在通過優(yōu)化Brainwave的FPGA深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）邏輯，提高深度學(xué)習(xí)模型的準(zhǔn)確性或速度，或提高這兩者。

微軟的開放十分重要，因?yàn)槭褂肰isual Studio IDE的企業(yè)軟件開發(fā)人員有很多。 這是一個(gè)成熟高效的工具包。將量子計(jì)算集成到Visual Studio中可能會(huì)使新一代的學(xué)術(shù)研究人員告別開源IDE，就像英偉達(dá)通過其CUDA應(yīng)用程序編程接口（API）和工具包去實(shí)現(xiàn)GPU編程一樣。

IBM宣布Q Network

IBM已經(jīng)推出了QISKit API和devkit，以供開發(fā)人員訪問IBM基于云的Quantum Experience和本地模擬器。去年十二月，IBM推出了Q Network生態(tài)系統(tǒng)開發(fā)計(jì)劃。IBM將基于支付能力和對(duì)IBM量子生態(tài)系統(tǒng)可能的貢獻(xiàn)值來限定會(huì)員資格，而沒有在會(huì)員級(jí)別上設(shè)限。

訪問IBM的量子計(jì)算資源非常簡(jiǎn)單，通常訪問都是Q Network參與者的一或兩代訪問硬件和最新的開發(fā)資源。 有三種類型的會(huì)員，公布的參與者是：

?Hubs（教育、研究、開發(fā)和商業(yè)化區(qū)域中心）：慶應(yīng)義塾大學(xué)，墨爾本大學(xué)，橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL），牛津大學(xué)和IBM研究院

?合作伙伴（特定行業(yè)或?qū)W術(shù)領(lǐng)域的先驅(qū)）：戴姆勒（Daimler），摩根大通（JPMorgan Chase & Co），JSR和三星（Samsung）

?成員（制定量子準(zhǔn)備戰(zhàn)略）：巴克萊（Barclays），本田（Honda），Materials Magic（日立金屬集團(tuán)）和長(zhǎng)瀨（Nagase）

IBM的Q Network和更大的IBM Q體驗(yàn)用戶群的目標(biāo)用戶是研究生，學(xué)術(shù)研究人員和商業(yè)研究人員。無論是提供基礎(chǔ)設(shè)施還是理解如何通過量子計(jì)算機(jī)編程來解決有用問題，量子計(jì)算都還處于實(shí)驗(yàn)階段。量子計(jì)算目前還處于發(fā)現(xiàn)和啟發(fā)階段。

IBM表示，Q Experience工具被1500多所大學(xué)，300多所私立教育機(jī)構(gòu)和300多所高中用作其物理課程的一部分。 這也是英偉達(dá)成功的CUDA工具教育推廣戰(zhàn)略。IBM稱35個(gè)第三方研究出版物使用了Q Experience工具，這個(gè)數(shù)字令人印象深刻——它突顯了量子計(jì)算早期研究人員正在進(jìn)行的激烈競(jìng)爭(zhēng)。

關(guān)于未來

實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的商業(yè)化，我們還有很長(zhǎng)的路要走。途中可能會(huì)有一些暫時(shí)的優(yōu)勢(shì)， 但隨著投入量子計(jì)算研發(fā)的大量投入，如果沒有持續(xù)長(zhǎng)期的研發(fā)和商業(yè)化戰(zhàn)略，任何一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)者的短期量子優(yōu)勢(shì)都將轉(zhuǎn)瞬即逝。

不出意外的話，2018年我們將看到具有50個(gè)或更多通用量子位的系統(tǒng)。我們還將看到一些更專門的系統(tǒng)——超過2000個(gè)物理量子位，在解決某一類問題時(shí)突顯出顯著的量子優(yōu)勢(shì)。我們計(jì)劃在3月份參加量子通信、測(cè)量與計(jì)算國際大會(huì)（QCMC），緊跟量子計(jì)算的研究潮流。