新智元编译

来源：IBM、Engadget

编译：张乾、艾霄葆

【新智元导读】本周，IBM50个量子比特原型机内部结构图曝光，全面展示了这台机器的构造和原理。IBM在“量子霸权”道路上雄心勃勃，但也面临着诸多问题。同时，来自谷歌、微软等大公司的竞争让2018年量子霸权争夺大戏异常精彩，值得期待！

2017年11月，IBM宣布成功构建并测量了具有类似性能指标的50个量子比特原型机。

50个量子比特被普遍认为可以进行普通超级计算机不能完成的任务，IBM此举也是在“量子霸权”（quantum supremacy）上具有里程碑意义的一步。

在本周在旧金山举行的IBM's inaugural Index 开发者大会上，该公司对外展示了50个量子比特原型机，更重要的是，原型机的内部结构图同时曝光。

不过，尽管IBM的50个量子比特原型机看上去非常先进，但量子计算仍处于初级阶段，包括IBM在内的公司都不太确定量子计算的下一步将走向何方。

与此同时，想要在量子计算这个蓬勃发展的领域取得“量子霸权”的不仅有IBM，还有谷歌（49个量子比特）、微软以及日本的数家企业与研究机构。

阿里云量子实验室首席科学家、之江实验室副主任施尧耘认为，2018年将上演量子计算年度大戏，几个大公司之间将出现量子霸权混战，未来量子计算面临着诸多变局。

VC、大公司、各国政府都在量子计算上玩添砖加瓦的施工比赛，让这个舞台看上去热闹非凡。

构造图曝光：IBM 50量子比特原型机大拆解

被曝光的IBM50量子比特原型机内部构造长这样。

利用量子处理需要保持绝对零度附近的恒定温度。这张细节的内部构造图详细解释了各个部件的特性，整台“冰箱”利用两种氦同位素的混合特性来创造这样的环境，由2000多台电脑制造而成。

量子位信号放大器（Qubit signal amplifier）

其中的一个放大器需要恒定在4开尔文

输入微波线路（input microwave lines）

每个容器都处于类似冰箱的环境中，从而保护量子位在发出信号的过程中控制热噪声以及读取信号。

超导同轴设备（superconducting coaxial lines）

为了尽量减少能量损失，在第一和第二连接轴之间插入信号同轴线，放大级由超导体制成。

量子放大器（quantum amplifiers）

磁屏遮罩内的量子放大器，放大处理读取信号，并将噪音最小化。

混合室（mixing chamber）

冰箱最底部的混合室提供了必要的冷却能力，使处理器和相关部件的温度降低到15mK，比外层空间更冷。

低温光电隔离器（cryogenic isolators）

低温隔离器可以使量子信号向前发送同时防止噪声影响其质量。

低温盾（Cryoperm shield）

量子处理器位于一个屏蔽层内，保护其免受电磁辐射的影响，控制信号质量。

高效与脆弱并存：量子计算机对温度、微波、光子等干扰高度敏感

量子计算机能够更有效地解决某些方程，如建模复杂分子。但这种高效率受到系统脆弱性的影响。

目前，量子比特的一致性时间在衰减前90微秒处达到顶点。也就是说，如果一个量子比特被指定为1，它只会在0.0009秒内保持1。 “之后，所有的努力就白费了，所以你需要有足够的时间真正地使用量子计算。”IBM Q战略副总裁Bob Sutor说，任何准备用量子计算的内容都必须在这段时间内完成。”

同时，量子计算机对来自温度、微波、光子，甚至是运行机器本身的电力的干扰也高度敏感。 Sutor说，由于热量存在，很多电子在四处移动，相互碰撞，这可能导致量子比特的退相干。这就是为什么这些机器必须冷却到接近绝对零度才能运行。

除了内部的温度，外部空间的温度也是需要保持在两到三度的绝对温度之间。Sutor说外层空间太热的话，就无法进行计算。现在，量子计算机平台的最低层存在于10毫开尔文的寒冷“冰箱”中，这是一个高于绝对零度的温度。Sutor说，未来几十年，我们可能还做不到能够在室温下运行的台式量子计算机。

不过令人惊讶的是，这些系统却相当节能。除了冷却运行系统所需的能量外（一个过程大约需要36个小时），IBM的量子原型机仅吸收10到15千瓦的功率，大致相当于10个标准微波炉。

IBM“量子霸权”局限：公众知识缺口、程序编写缺少、计算机拓展困难

现在IBM已经开发出了量子计算机系统，这只是第一步，下一个挑战是弄清楚如何处理它们。这正是该公司IBM Q系统聚焦的发展方向和未来目的。

IBM Q系统建立在IBM的Quantum Experience的技术之上，Quantum Experience允许任何人、企业、大学等编写和提交自己的量子应用程序或实验，以便在该公司可用的量子计算设备上运行，它本质上是用于量子计算的云服务。迄今为止，已有超过75000人使用该服务，运行了超过250万次的计算，并发表了超过24篇关于从量子相空间测量到同态加密的主题的研究论文。

为了增强由量子研究人员和应用开发人员组成的生态系统，IBM 还在今年年初推出了 QISKit (www.qiskit.org) 项目，这是一个开源软件开发人员套件，可在量子计算机的编程和运行中使用。

但是，尽管公众对这项技术的非常感兴趣，但IBM离“量子霸权”还很远。

在量子应用像经典计算机在20世纪70年代和80年代一样萌发之前，人们必须克服重大的知识缺口。Sutor指出，关于量子计算将是什么以及什么是量子计算的算法，我们到现在还不确定，也不知道量子计算在其他些领域的适用程度如何。

Sutor很清楚编写程序的切入点是一个挑战。对于传统计算机来说，编程很简单，但量子计算机还没有这样的功能。

另外一个必须克服的挑战是如何扩展这些机器。正如Sutor指出的那样，向硅芯片添加量子比特是一项比较简单的任务，但是每增加一个元件，都会产生热量，同时也会增大让系统保持在其工作温度范围内所需的能量，前文说过，IBM的这台量子计算原型机必须冷却到接近绝对零度才能运行。

对此，Sutor的做法是推出量子版的摩尔定律，他认为这项技术的下一个重大进步是质量而非数量。 “有50个巨大的量子的机器比拥有2000个糟糕量子的机器强大得多。”他认为，量子计算研究应该关注于通过增加量子比特来提高系统的保真度。

2018年量子霸权格局：在“魔道大战”中进入两极世界时代

“量子霸权”这条路上，从来不缺少巨头的身影。

2017年4月，谷歌公布其实现“量子霸权”的路线图，声称将利用49量子比特的模拟系统攻克传统计算机无法解出的难题。

在谷歌的计划表中，他们计划于2017年底达成“量子霸权”，并在2016年年底展开了测试。这一测试的目标是证明，包含49个量子位的系统能解决超出任何传统计算机能力的问题。谷歌没有对最终结果置评，而结果是否成功也需要科学期刊的评审。

微软也是较早展开量子计算研究的公司，他们将研发重点放在了“有效操纵”上，但尚未产生可以工作的量子比特，有消息称微软将在近期公布最新突破。

英特尔实验室负责人迈克·梅伯里（Mike Mayberry）表示，在真正可行的技术出现之前，大型科技公司之间将会有一场“十年的竞赛”。他说，“我们现在还处于’玩具系统’时代”。

本月初，施尧耘曾在新智元发表文章，对2018年的量子计算格局进行预测，他认为，2018年的量子计算舞台将极其精彩，量子霸权硝烟战争已经打响，“魔道大战”即将上演。

施尧耘认为，量子计算将分为“超导戏班VS离子阱歌舞队”，并进入两极世界。顶端是量子算法的高级队：量子机器学习、优化算法和化学模拟；另一端是处理器只有四、五个比特的小型公司，但仍有可能成长为参天大树。

所以，2018年的量子计算值得期待。

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