谷歌发布世界第一72位量子计算机芯片,震惊世界!BAT均入局

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本文综合自量子计算应用(ID:ZCW_QUANTUM)、曲达视界(IDQUDAKJ)、榕逊说内幕(ID:xunrong1311)

 

在遥远的美国,发生了一件大事。

 

这次看似不太起眼的“蝴蝶翅膀”扇动,却很可能将在不远的将来,引起山呼海啸般的巨震!

 

谷歌宣布:推出一款72个量子比特的通用量子计算机Bristlecone,实现了1%的低错误率。

 

谷歌说了,Bristlecone已经拥有量子霸权,能够打败世界上所有最快的超级计算机。

 

这无疑是一记倚天屠龙般的惊天暴击!

 

 

关键信息:谷歌推出了拥有72量子比特的量子芯片Bristlecone,达到了单量子比特门错误率0.1%,双量子比特门的错误率0.6%的优秀成绩。Bristlecone为量子模拟、优化和机器学习的应用提供了一个实验平台。

 

关键意义:这是量子比特芯片领域的重大进展,超越了业界公认的50量子比特芯片就可以达到量子霸权的标准,向量子计算超越经典超级计算机又迈进了一步,加速了人工智能算法训练和科学难题的解决。

 

在近日召开的洛杉矶美国物理学会会议(APS)上,谷歌推出了拥有72量子比特的量子芯片Bristlecone,超越了IBM的50量子比特的计算机原型和英特尔49量子比特芯片,一时登上了量子霸权的风口浪尖。

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72量子比特意味着什么呢?

可能有不少朋友对于72量子比特不太了解,其实量子计算机的计算能力是通过量子比特数量来确定的,那么量子比特数量是什么?


在经典计算机里,存储的信息单位是比特(bit),比特使用二进制,也就是说一个比特表示的不是"0"就是"1"。


但是,在量子计算机里,情况会变得完全不同,量子计算机的信息单位是量子比特(qubit),量子比特可以表示"0",也可以表示"1",甚至还可以是"1"和"0"的叠加状态(superposition),即同时等于"0"和"1",而这种状态在被观察时,会坍塌成为"0"或是"1",也就变成了确定的值,其实也就和经典量子理论"薛定谔的猫"是一个道理(把一只猫放到一个不透明的特殊盒子中,在打开盒子前,这只猫既可能是死的,也可能是活的,打开后,两种可能性才坍塌到其中一种)。除此之外,两个量子比特还可以共享量子态,无论这两个量子比特离得多远,也就是所谓的"量子纠缠"(entanglement)。

 

受自身特性的限制,量子比特极不稳定,除了需要在极低的温度下存放外,还不能受到任何冲力或震动,任何一点外力都有可能破坏它的位置导致量子比特崩盘,因此放置了72个量子比特的芯片就像在针尖上立了72个鸡蛋。

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量子比特的神奇之处

理论上,2个量子比特的量子计算机每一步可以做到2的2次方,也就是4次运算,所以说,50量子比特的运算速度(2的50次方=1125亿亿次)将秒杀最强超级计算机(目前世界最强的超级计算机是神威·太湖之光,运算速度是每秒9.3亿亿次)。

说得再具体一点,拿《火影忍者》举例的话,那就是佐助是经典计算机,鸣人是量子计算机,要找一个东西,佐助只能自己一个一个地方跑去找,也许要找一年。

谷歌发布世界第一72位量子计算机芯片,震惊世界!BAT均入局但是鸣人可以分出5个影分身,然后5个影分身再分出5个影分身,分身的分身再分身,所有分身都同时去不同的地方,瞬间找到东西,然后分身收回,只剩一个鸣人,取回东西,完成。所以说量子计算能力惊人。

 

量子比特数量提升,错误率保持低平

Bristlecone除了能够研究量子比特的系统错误率和可扩展性,也为量子模拟、优化和机器学习的应用提供了一个实验平台。谷歌认为,随着72量子位芯片的发展,他正在展示出量子霸权。

 

量子霸权通常意义上讲是量子计算机超越经典超级计算机的表现。谷歌曾表示:经计算,49量子比特的量子芯片就可以实现量子霸权。可随着IBM 50量子比特芯片的发布,谷歌的49量子比特芯片也被如今的72量子比特芯片所代替。

 

本次谷歌的72量子位芯片Bristlecone是从9量子位基础上发展而来的,在2014年,《自然》杂志就报道了9量子比特的芯片设计,当时谷歌人工智能量子实验室的研究科学家Kelly解释说,该芯片达到了读数错误率为1%,单量子比特门错误率为0.1%,双量子比特门的错误率是0.6%的好成绩。

 

“我们刚开始测试,”Google的物理学家John Martinis说:“从目前我们所知道的情况来看,我们非常乐观。”Martinis说,如果一切运作良好,量子霸权可能会在几个月内实现。

 

Kelly介绍说,谷歌量子AI实验室(Google Quantum AI Lab)的目标是构建可用于解决现实世界问题的量子计算机。谷歌的策略是使用与通用纠错量子计算机兼容的系统来探索近期的应用。为了使量子处理器能够在经典模拟的范围之外运行算法,它不仅需要大规模的量子比特,处理器在读出(readout)和逻辑运算上的低错误率保证也十分重要,比如单比特门和两比特门。

 

在洛杉矶举行的美国物理学会年会上,谷歌展示了一个新的量子处理器Bristlecone。这个基于门的超导系统目的在于研究量子比特技术的系统误差率和可扩展性,以及在量子模拟、优化和机器学习中的应用。

 

创纪录72量子比特量子计算机,错误率1%,可实现量子霸权

 

Julian Kelly介绍,这个最新设备遵循是谷歌之前提出的9个量子比特量子计算机的线性阵列技术所对应的物理学原理,而该技术显示的最佳结果如下:低的读数错误率(1%)、单量子比特门(0.1%)以及最重要的双量子比特门(0.6%)。该设备使用与9个量子比特的相同的模式进行耦合、控制和读出,但将其扩展为一个包含72个量子比特的正方形数组。

 

实验中,研究人员选择了这种尺寸的设备来展示未来的量子霸权,使用面编码研究一阶和二阶纠错,并促进量子算法在实际硬件上的发展。 

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Bristlecone芯片(左)及其图示(右),每个X代表一个量子比特 

(图片来源于网络)

Bristlecone的另一个重要特征,是它仍然可以进行经典的计算机模拟,这是目前验证量子计算机是否正确运行的唯一方法(因为可以交叉核对答案),而且它可以在经典计算机上实现加速。下图表示了错误率和量子比特数之间的关系,红线代表谷歌研究方向。我们可以看出,随着时间的增长,量子位数量越多,错误率越低是谷歌人工智能的研究方向。  

 

在研究特定的应用程序之前,对量子处理器的量化能力很重要。谷歌的理论团队已经开发出了一种基准测试工具来完成这项任务,通过在设备上应用随机的量子电路来对系统的任务进行随机分配,并通过一个经典的模拟方法来检查抽样输出的分布情况。对于一个操作误差足够小的量子处理器,它可以在一个明确的计算机科学相关的问题上具有超越经典的超级计算机的表现,也即“量子霸权”。这些随机电路在量子比特和计算长度以及深度上都必须很大。

 

虽然目前还没有人可以实现这个目标,但是谷歌研究人员计算后认为,量子霸权的目标可以通过使用49个量子比特,一个超过40的电路深度,一个低于0.5%的2个比特误差进行完美的证明。他们相信,这个量子处理器优于超级计算机的实验证明将会是这个领域的分水岭,同时也是未来的主要目标之一。

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IBM、微软和英特尔在量子领域的进展(图片来源于网络)

 

错误率和量子比特位数之间的关系。红色显示了谷歌量子AI实验室的预期研究方向,他们希望近期能够开发出基于纠错量子计算机的相关应用。

 

谷歌原本希望在9个量子比特的设备上实现类似的性能,但现在已经做到了72个量子比特。他们指出,未来在建造更大规模的量子计算机时,Bristlecone将会是一个令人信服的原理证明。谷歌也表示,在低的系统错误下运行像Bristlecone这样的设备需要软件、控制电子以及处理器本身等多种技术进行配合,因此接下来还需要在几轮的迭代中对系统工程进行仔细的观察。

 

谷歌量子AI实验室指出,使用Bristlecone可以实现量子霸权,而且在这种水平上学习如何构建和操作设备会是一个令人兴奋的挑战。他们期待分享结果,而这也可以帮助更多的研究人员进行这方面的实验。

 

谷歌:从49到72,我们不止比IBM优秀一点点

正如前文所说,谷歌曾表示要建立一个49量子比特的量子计算机来实现量子霸权,并称这是他们计算后的结果。为什么这次一下子跳到了“72”量子比特呢?

 

一直以来,大家都认为50个量子比特的量子计算机是实现量子霸权的“起步价”。就在谷歌抛出49个量子比特的量子计算机实现量子霸权的说法后不久,IBM就称,他们的研究表明,对于某些特定的量子应用,可能需要56位乃至更多量子比特才能实现量子霸权。

 

不仅如此,2017年11月12日,IBM宣布成功研发出20量子位的量子计算机,并成功建成并测试全球首台50个量子比特的量子计算原型机。

 

上周,在旧金山举行的IBM Inaugural Index开发者大会上,IBM对外展示了其50个量子比特原型机,且内部结构图也同时曝光。

 

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 ▲(图片来源于网络)

 

去年11月,IBM宣布构建出50个量子比特原型机,这一举动被认为IBM在量子霸权领域的重要举措。与谷歌的72量子比特芯片可提供量子测试类似,IBM 量子系统的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IBM的量子计算设备上运行。

 

微软是接触量子比特较早的企业,发现出首个拓扑量子位。量子位最早的用途之一就是帮助人工智能研究人员利用机器学习,加快训练算法的劳动密集型流程。例如,如果量子计算能够把 Cortana 数字助理算法训练的时间从一个月缩短到一天,这将是人工智能发展的重大进步。“即使其它保持不变,Cortana 的速度也会提高 30 倍。”微软首席研究与战略官表示。

 

但目前微软并未推出量子比特芯片,它的研究方向在别的方面,比如为量子计算机设计新的编程语言并在量子模拟器上进行测试。但在今年1月底,《金融时报》 曾发文称,谷歌和微软将在接下来的几周内推出自己在量子领域的重大进展,现在谷歌已发布,接下就看微软了。

 

在今年的CES上,英特尔宣布已制造出49量子比特的芯片Tangle Lake,其之前的量子芯片为17量子比特,并交付给了合作伙伴进行测试,使量子比特芯片不再局限于科研成果。

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▲英特尔17位量子比特芯片(图片来源于网络)

 

量子计算的发展前景

根据谷歌的说法,当我们可以实现0.1-1%的错误率以及数十万至数百万的量子比特时,量子计算机将在解决实际问题时会变得非常有用。理想的量子计算机至少要有数以百万计的量子比特,错误率低于0.01%,而这一目标可能需要几十年的时间才能实现。

 

而在实现这样的成果之前,我们可能就会开始看到量子计算机的一些非常“惊人”的应用。例如,外媒Motherboard认为当量子计算机有4000个量子比特时,破坏大多数现有的密码学是可能的(比如区块链)。而如果量子计算机按照当前进展速度持续下去,我们可能能够在十年左右达到这一目标。

 

虽然一提到量子就会让人联想到神秘力量,但是专家认为量子计算有许多实际用途,因为它能让科学家在几分钟、几小时内,完成目前最先进经典计算机用几十亿年才能完成的计算,而这意味着人们可以解答之前经典计算机无法解决的科学难题。

 

2018年将是量子芯片实现重大突破的一年,年初巨头们便纷纷推出量子领域的新进展,但无可否认的是,量子计算仍处在初级阶段,量子芯片已研发出来,下一步的挑战是考虑如何运用它们。

 

BAT布局量子计算技术

对于各国来说,“量子计算”已经成为圣杯,中国互联网巨头也不甘落后,积极向量子计算投资。在量子计算研究方面,百度、阿里巴巴、腾讯已经开始布局,它们向一些项目提供资金支持,这些项目可能会成为垫脚石,为“超级计算机之母”量子计算的商用铺平道路。

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量子计算机带来了全新的信息处理方法,从理论上讲,它可以大大提高计算速度,比当今最强大的超级计算机还要快很多倍。

 

几天前,百度宣布设立量子计算研究机构,新机构的重点就是寻找办法,将软件应用于量子计算领域。而极客网此前报道,阿里巴巴、腾讯也曾设立相似的机构。

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去年,中国曾宣布说,要在合肥建设世界最大量子计算研究中心,占地37公顷,投资高达760亿元。它的目标就是开发出量子计算机,可以用于军事领域,量子计算机可以在数之秒内破解密码,让潜水艇以隐形模式在水下航行3个月以上。

 

为什么量子计算对大企业(包括互联网企业、金融企业,比如银行和保险公司)有着如此大的价值?从理论上讲,主要是因为量子计算机处理数据的速度比超级计算机更快,效果更好。

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BAT已经收集了大量数据,需要分析,包括电商交易数据、移动游戏数据、在线搜索数据、支付数据、社交媒体数据、视频流媒体数据、按需服务数据(比如打车数据和送餐数据)。

 

每一天,整个地球大约会产生2.5个五万亿字节(quintillionbytes)的信息,相当于25亿GB,量子计算机可以帮助政府、私营企业处理这些数据。

 

另外,量子计算机还可以增强AI技术,比如面部识别、机器学习和自动驾驶技术。

 

BAT不只对AI感兴趣,还对量子计算感兴趣,这一追求与中国整个国家的目标是一致的,中国想以高科技作为依托,从“世界工厂”升级为更先进的经济体。

 

中国已经设定目标,要在2030年之前成为全球AI领导者。

始发于微信公众号:51CTO官微

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slduo
  • 本文由 发表于 2018年3月19日12:09:32
匿名

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