2018年將是量子計(jì)算的盛行年

有人說如今的量子計(jì)算猶如1968年的半導(dǎo)體一樣將快速進(jìn)入2018年。當(dāng)數(shù)量很小時(shí)，快速增長很容易。今年中國宣布了價(jià)值100億美元的量子信息科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室，計(jì)劃于2020年開放。

量子計(jì)算的競爭格局在2018年初持續(xù)升溫。但是今天的量子計(jì)算格局看起來很像50年前的半導(dǎo)體格局。

硅基集成電路（IC）于1968年進(jìn)入其“中等規(guī)模”集成階段。短短幾年內(nèi)，晶體管的計(jì)數(shù)從一個(gè)芯片上的十個(gè)晶體管到一個(gè)芯片上的數(shù)百個(gè)晶體管。過了一段時(shí)間，芯片上有成千上萬的晶體管，然后是成千上萬的晶體管，現(xiàn)在我們已經(jīng)有五十年了，已經(jīng)有數(shù)百億。

量子計(jì)算是量子物理學(xué)的一個(gè)實(shí)際應(yīng)用，它使用單個(gè)的亞原子粒子作為計(jì)算元素來冷卻毫米溫度。這些亞原子計(jì)算元件被稱為“量子位”.Qubits可以使用CMOS技術(shù)制造，如標(biāo)準(zhǔn)IC。但是，在量子計(jì)算機(jī)的嚴(yán)酷寒冷的操作環(huán)境中操縱和協(xié)調(diào)越來越多的量子位所需的互連，控制和傳感器電路需要新的科學(xué)和技術(shù)發(fā)展。

量子計(jì)算正在享受其兩位數(shù)的量子時(shí)代。在2017年，我們看到了一個(gè)具有20個(gè)通用物理量子位的芯片，并且在2018年我認(rèn)為我們將看到具有超過50個(gè)通用量子位的芯片。但是第一個(gè)大眾市場(chǎng)通用量子計(jì)算機(jī)將從數(shù)千個(gè)邏輯量子位構(gòu)建而成。邏輯量子位是容錯(cuò)的，具有錯(cuò)誤檢測(cè)并最終糾錯(cuò)。數(shù)以千計(jì)的邏輯量子位至少轉(zhuǎn)換成數(shù)以萬計(jì)的物理量子位，這取決于物理量子位構(gòu)架的數(shù)量級(jí)可能更大。

事實(shí)上，從數(shù)十到數(shù)百個(gè)物理量子位的演變可能需要一段時(shí)間; 從數(shù)百到數(shù)千將需要更長的時(shí)間。專家們認(rèn)為，具有數(shù)千個(gè)邏輯量子位的可商業(yè)部署的量子計(jì)算機(jī)還需要十多年的發(fā)展，并有可能超過二十年。“量子霸權(quán)”將不會(huì)長久。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。它處于快速擴(kuò)張階段，但當(dāng)數(shù)量很小時(shí)，快速增長很容易。

量子系統(tǒng)下

IBM和Rigetti都推出了基于云計(jì)算的通用型量子計(jì)算機(jī)，用于公共訪問和有限訪問（分別為20和19位系統(tǒng)），每個(gè)系統(tǒng)都有一個(gè)完整的軟件開發(fā)工具包（devkit）。NTT推出了基于云的量子點(diǎn)和基于光子學(xué)的架構(gòu)及其全堆棧開發(fā)套件。微軟和谷歌推出了他們的通用量子計(jì)算研發(fā)計(jì)劃以及全堆棧devkits和模擬器，但尚未公開演示硬件。英特爾正在展示原型芯片，但尚未展示它們。IonQ，Quantum Circuits和RIKEN正在投資硬件開發(fā)，但尚未展示其工作。然而，只有兩家公司正在銷售用于客戶使用的專用系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以被稱為量子計(jì)算機(jī)：

D-Wave和NTT實(shí)現(xiàn)了2，048個(gè)物理量子比特，盡管他們使用完全不同的技術(shù)來完成這個(gè)任務(wù)，而他們的系統(tǒng)并沒有顯示出完整的通用量子計(jì)算功能。他們的架構(gòu)適合于解決優(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)中的一些問題。

量子鐵的模擬

模擬數(shù)十個(gè)物理量子位需要大量“經(jīng)典”計(jì)算能力，這意味著當(dāng)今最先進(jìn)的基于IC的計(jì)算，存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。這些軟件仿真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)，研究人員是否可以真正構(gòu)建與當(dāng)前仿真一樣大的真實(shí)系統(tǒng)。

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)的歐洲研究人員成功模擬了一臺(tái)46-qubit通用量子計(jì)算機(jī)。這種模擬打破了美國能源部勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室4月份發(fā)布的45-quibit記錄。今年7月，來自哈佛 - 麻省理工學(xué)院超冷原子中心的美國團(tuán)隊(duì)和加州理工學(xué)院模擬了一個(gè)51-qubit量子計(jì)算機(jī)，但它是為了解決一個(gè)特定的方程而建立的，并不是一個(gè)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-qubit模擬器的論文，該論文也是為了解決一個(gè)具體問題。

同時(shí)，在云中，IBM在經(jīng)典的超級(jí)計(jì)算機(jī)上內(nèi)部模擬了一個(gè)56-qubit通用系統(tǒng)。然而，公眾可以獲得16-qubit系統(tǒng)，看起來IBM似乎并不重視新Q網(wǎng)絡(luò)程序之外的最終用戶模擬。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16 GB內(nèi)存中擴(kuò)展至大約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

IBM在2017年末推出了20-qubit芯片，這是IBM Q網(wǎng)絡(luò)宣布的基石，IBM表示它已經(jīng)構(gòu)建并在內(nèi)部測(cè)試了一個(gè)50-qubit芯片。IBM Q網(wǎng)絡(luò)參與者可以訪問新的20-qubit系統(tǒng)，并且隨著其進(jìn)展，將可以及早訪問50-qubit芯片。英特爾在10月份向其合作伙伴QuTech交付了17-qubit測(cè)試芯片，并在2018年初在消費(fèi)電子展（CES）上展示了49-qubit芯片。Rigetti本周宣布，其19位芯片可用于云訪問（訪問需要Rigetti的批準(zhǔn)）。Rigetti的芯片是一個(gè)20-qubit架構(gòu)，其中一個(gè)量子位具有制造缺陷; 它落后于IBM。谷歌已經(jīng)在內(nèi)部測(cè)試了六個(gè)，九個(gè)和二十個(gè)qubit芯片，

Rigetti 20-qubit芯片（左），Google 6-qubit芯片加載體（中），英特爾49-qubit載體（右）

Atos表示其40-qubit模擬器基于英特爾至強(qiáng)處理器，但專用硬件加速器“即將推出”。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)。