量子計(jì)算競(jìng)爭(zhēng)格局將在2018年繼續(xù)升溫。從整體來(lái)看，如今量子計(jì)算的狀態(tài)看起來(lái)很像50年前的半導(dǎo)體芯片行業(yè)。

基于硅的集成電路(IC)在1968年進(jìn)入了 “中規(guī)模”集成階段。晶體管計(jì)數(shù)在短短幾年內(nèi)從一個(gè)芯片上的十個(gè)晶體管膨脹到一個(gè)芯片上的數(shù)百個(gè)晶體管。過(guò)了一段時(shí)間，數(shù)千個(gè)，然后是幾萬(wàn)個(gè)，現(xiàn)在——50年之后——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，它利用單個(gè)亞原子粒子作為計(jì)算元素，將其冷卻到毫開(kāi)爾文溫度。這些亞原子計(jì)算元素稱為“量子位”（量子比特）。量子位可以用CMOS技術(shù)制造，比如標(biāo)準(zhǔn)的IC。但是，在量子計(jì)算機(jī)極其寒冷的操作環(huán)境中，若要進(jìn)行相互連接、控制和傳感器電路來(lái)操作和協(xié)調(diào)越來(lái)越多的量子位，需要發(fā)展新的科學(xué)和技術(shù)。

▲IBM 16-qubit處理器

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，我們看到了一個(gè)擁有20個(gè)通用物理量子位的芯片，而在2018年，我們估計(jì)會(huì)看到超過(guò)50個(gè)通用量子位的芯片。但第一個(gè)面向大眾市場(chǎng)的通用量子計(jì)算機(jī)至少需要由數(shù)千個(gè)邏輯量子位組成。邏輯量子位是容錯(cuò)的，具有錯(cuò)誤檢測(cè)和最終糾錯(cuò)。成千上萬(wàn)的邏輯量子位會(huì)轉(zhuǎn)化成至少十倍的物理量子位，這取決于物理的量子位體系結(jié)構(gòu)，數(shù)量級(jí)可能會(huì)更高。

▲IBM的量子計(jì)算機(jī)I/O子系統(tǒng)，用于在一個(gè)毫開(kāi)爾文液氦浴中獲取電信號(hào)

事實(shí)上，從數(shù)十到數(shù)百個(gè)物理量子位的進(jìn)化可能需要一段時(shí)間;從數(shù)百到數(shù)千將需要更長(zhǎng)的時(shí)間。專家們一致認(rèn)為，一個(gè)具有數(shù)千個(gè)邏輯量子位的商業(yè)可部署量子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)起碼需要10年的時(shí)間，甚至可能在20年以后。真正商業(yè)化的“量子霸權(quán)”在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都難以實(shí)現(xiàn)。不過(guò)與此同時(shí)，許多供應(yīng)商正在取得令人矚目的進(jìn)展。

以下，將為大家介紹目前為止量子計(jì)算的進(jìn)展。以此為參考，我們能夠在未來(lái)一年里更清楚地認(rèn)識(shí)到量子計(jì)算的進(jìn)步。

在量子系統(tǒng)之下

IBM和Rigetti都引入了可用于公共和有限訪問(wèn)的通用基于云的量子計(jì)算機(jī)(分別為20和19個(gè)量子位系統(tǒng))，每個(gè)都有一個(gè)完整的軟件開(kāi)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)，并使用了它的全棧devkit。微軟和谷歌推出了他們的通用量子計(jì)算研發(fā)項(xiàng)目，以及全棧的devkit和模擬器，但還沒(méi)有公開(kāi)展示硬件。英特爾展示了其原型芯片，但還沒(méi)有展示出芯片實(shí)體。IonQ、Quantum Circuits和RIKEN正在投資硬件開(kāi)發(fā)，但還沒(méi)有對(duì)外展示他們的工作。然而，只有兩家公司在為客戶銷售專用系統(tǒng)供本地使用，不過(guò)是否可以被稱為量子計(jì)算機(jī)還存在爭(zhēng)議:D-Wave的量子退火架構(gòu)和Atos專用的量子模擬器。

D-Wave和NTT實(shí)現(xiàn)了2,048個(gè)物理量子位，不過(guò)它們使用完全不同的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而且它們的系統(tǒng)沒(méi)有顯示出完全通用的量子計(jì)算能力。它們的架構(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(wèn)題。

▲D-Wave量子計(jì)算芯片

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，相當(dāng)于當(dāng)今最先進(jìn)的基于IC的計(jì)算、內(nèi)存、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。這些“模擬機(jī)器”的運(yùn)行速度可能比它們模擬的量子計(jì)算機(jī)要慢得多，研究人員實(shí)際上可以建立像他們目前模擬的那樣大的真實(shí)系統(tǒng)。

上周，來(lái)自Julich超算中心、武漢大學(xué)和 荷蘭格羅寧根大學(xué)的一組研究人員成功地模擬了一個(gè)46量子位的通用量子計(jì)算機(jī)。這一模擬打破了美國(guó)能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室4月份創(chuàng)下的45量子位的記錄。今年7月，美國(guó)哈佛-麻省理工學(xué)院(Harvard-MIT Center for Ultracold atom)和加州理工學(xué)院(California Institute of Technology)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)模擬了51量子比特量子計(jì)算機(jī)，但它是為了解決一個(gè)特定的方程式，而不是通用模擬。去年11月，馬里蘭大學(xué)和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)在53量子位模擬器上發(fā)表了一篇論文，旨在解決一個(gè)具體的問(wèn)題。

與此同時(shí)，在云計(jì)算中，IBM在一個(gè)經(jīng)典的超級(jí)計(jì)算機(jī)上模擬了一個(gè)56量子位的通用系統(tǒng)。微軟的新量子開(kāi)發(fā)工具包支持在其Azure云上模擬“超過(guò)40個(gè)量子位”，其本地基于PC的模擬可以擴(kuò)展到16 GB內(nèi)存中的大約30個(gè)量子位。我不得不懷疑微軟Azure的量子計(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。谷歌的Quantum Playground 可以模擬多達(dá)22個(gè)量子位。

通用芯片

IBM在2017年末推出了它的20-qubit芯片，它是IBM Q Network 發(fā)布的基石。IBM表示已經(jīng)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(wèn)新的20量子位系統(tǒng)，并且隨著它的進(jìn)展，他們將能夠盡早訪問(wèn)50量子位芯片。英特爾在10月份向其合作伙伴QuTech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本周宣布它的19量子位芯片可用于云訪問(wèn)(訪問(wèn)需要得到Rigetti的批準(zhǔn))。Rigetti的芯片是一個(gè)20量子位架構(gòu)，其中一個(gè)量子位有一個(gè)制造缺陷，它緊隨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，并且正在開(kāi)發(fā)一個(gè)49量子位芯片，該芯片將在2017年底前交付使用，但并沒(méi)有達(dá)到這個(gè)發(fā)布時(shí)間。

▲Rigetti 20量子位芯片(左)，谷歌6量子位芯片 (中)，英特爾49量子位芯片(右)

Atos說(shuō)它的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(wèn)世”。這并不新奇，因?yàn)镮BM正在內(nèi)部使用其Power系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中模擬量子計(jì)算機(jī)。

量子軟件開(kāi)發(fā)

在軟件方面，開(kāi)源是非常關(guān)鍵的，研究人員在過(guò)去的幾十年里一直在開(kāi)源他們的內(nèi)部量子計(jì)算開(kāi)發(fā)環(huán)境。

今年，IBM開(kāi)放了它的QASM (Quantum ASseMbler)，這是IBM QISKit(量子信息軟件包)的一個(gè)重要組成部分。XACC (EXtreme scale ACCelerator)接口到Rigetti的模擬器和原型芯片，以及D-Wave的生產(chǎn)系統(tǒng)。QuTiP (Python的量子工具箱)是一種開(kāi)源的量子計(jì)算模擬器，在很多量子計(jì)算硬件社區(qū)中使用(對(duì)阿里巴巴、亞馬遜、谷歌、霍尼韋爾、IBM、英特爾、微軟、Northrup Grumman、Rigetti和RIKEN都在其網(wǎng)站上出現(xiàn))。據(jù)推測(cè)，QuTiP正被用于模擬正在開(kāi)發(fā)的硬件架構(gòu)。谷歌與Rigetti合作開(kāi)發(fā)了開(kāi)源OpenFermion，這是一個(gè)用于編譯和分析量子化學(xué)問(wèn)題的軟件包。而微軟則推出了Q# (Q-sharp)量子計(jì)算語(yǔ)言。相關(guān)的軟件還有很多，這里不再一一贅述。

關(guān)于中國(guó)

中國(guó)今年剛宣布成立了一個(gè)100億美元的國(guó)家量子信息科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，計(jì)劃于2020年完成建設(shè)。不過(guò)中國(guó)企業(yè)在量子計(jì)算商業(yè)化方面的突破性成果相對(duì)較少，阿里巴巴、百度和騰訊等都在人工智能和深度學(xué)習(xí)方面投入了大量資金，但很少聽(tīng)到在量子計(jì)算方面有大量投入的，希望在今年能聽(tīng)到更多他們關(guān)于量子計(jì)算的消息。

未來(lái)

實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算商業(yè)化，我們還有很長(zhǎng)的路要走。途中，可能某個(gè)企業(yè)/組織會(huì)有一些暫時(shí)的優(yōu)勢(shì)，但隨著大量投資進(jìn)入量子計(jì)算研發(fā)領(lǐng)域，任何一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的短期量子優(yōu)勢(shì)都會(huì)在沒(méi)有持續(xù)、長(zhǎng)期的研發(fā)和商業(yè)化戰(zhàn)略的情況下轉(zhuǎn)瞬即逝。

如今的量子計(jì)算領(lǐng)域一片繁榮，在2018年，我們可能會(huì)看到50或更多量子位的通用系統(tǒng)。我們可能還會(huì)看到一些更專門化的系統(tǒng)，擁有超過(guò)2000個(gè)物理量子位，在解決某一范圍內(nèi)的問(wèn)題時(shí)突出量子計(jì)算的重大優(yōu)勢(shì)。