量子计算机研发了这么久,怎样才能让它真正普及?

 

2021/8/23 10:21:15 访问量: 科技日报 张佳星

   一只薛定谔的猫(量子态的描述试验),有望解决信息技术领域目前面临的算力不足的问题。

  在日前召开的中国科协年会上,中国科学院院士潘建伟指出,经过百余年的发展历程,量子力学已经为解决目前遇到的一些问题做好了技术上的储备。以量子计算为例,其算力随着粒子数目的增加呈指数增长。

  从2017年IBM推出首个商业通用量子计算机以来,量子计算机的竞相研发已经初见成果。今年5月,潘建伟院士团队成功研制了目前国际上超导量子比特数量最多的量子计算原型机“祖冲之号”,操纵的超导量子比特达到 62 个,7月,东京大学与IBM合作的商用量子计算机在日本首次应用于材料开发和金融研究。

  量子计算机研发了这么久,会以什么样的形式普及应用?哪些领域会首先应用上量子计算呢?

  量子计算机还太贵,搬不回家

  现在的量子计算机仍旧造价非常昂贵,与电子计算机的样子大相径庭。

  大多数量子计算机需要特别的低温设备,需要液氮或者液氦,维持接近绝对零度的温度,以确保量子比特的稳定性。

  为了降低成本,不少科学家在提高运行温度上下工夫,例如去年《自然》就层上线过一篇论文,澳大利亚团队与加拿大、芬兰和日本的合作者一起报告了一种经过概念验证的量子处理器单元,该单元的运行温度是 1.5 开尔文,这个温度是 Google、IBM 等公司使用超导量子比特芯片的运行温度(0.1开尔文)的15倍。

  但目前而言,一段时间以内量子计算机仍然造价昂贵,很难以“谁使用谁拥有”的形式提供服务。

  “客户使用量子计算技术最佳的方式是通过云服务来获得,因为量子计算机本身是非常先进复杂并且昂贵的系统。” 亚马逊云科技Amazon Braket总经理理查德·摩斯在接受包括科技日报在内的媒体采访时表示,自营的数据中心去打造昂贵的量子计算机,目前而言是不现实的。

  量子计算机的应用将采取“不拥有但为我所用”的模式,即云服务模式。

  为了推进量子计算技术,亚马逊云科技推出量子计算云服务Amazon Braket ,科学家、研究人员和开发者能够通过该服务开始试验来自量子硬件提供商(包括 D-Wave、IonQ 和 Rigetti)的量子计算的硬件。此外,亚马逊云科技还成立了量子计算中心和量子解决方案实验室,加速开发量子计算技术和应用。

  “把量子计算作为一种云服务来使用,意味着其所使用的工具,比如说安全控制、访问、资源管理、通知等的传统的云服务应该是一样的。” 理查德解释,因此在现有云服务相关技术的基础上,还需要针对量子计算的硬件、应用、迁移等核心技术进行开发。

  量子计算要普及,还要锤炼技术和人才

  截至目前,量子计算机对于科研机构、大学院所这些科技研发的最前沿还是比较陌生的。让他们对量子计算机熟悉起来,是普及应用的前提。

  当下的量子计算机的制造有着不同的技术路线,不同技术路线的量子计算机拥有不同的特点、带来不同的性能和水平也是不同的。

  以三种不同类型的商用量子计算机为例,第一个是D-Wave公司的量子计算机,聚焦于完成特定优化任务。第二个是IonQ的量子计算机,该技术路线使用悬浮在真空中的镱原子将捕获的离子用于其量子位,用激光束完成处理。第三个是Rigetti的量子计算机(IBM,英特尔均采用该技术路线),以固态量子处理器为特点,要求将芯片冷却到接近绝对零度,并采用积极的纠错技术来保持量子位的正常运行。

  哪个更好用,或者那个技术路线针对某一特定问题更胜一筹要用了才知道。理查德介绍,亚马逊云科技提供的服务是让客户无需繁杂选择,直接拿到这个市面上三种不同类型的量子计算机自己去用,通过实际的体验、上手的体验去验证未来如果要用量子计算的话,应该选择什么样的技术,或者打造一个什么样的量子系统。

  此外,培育量子计算方面的开发人员也非常重要。一方面,需要硬件方面的开发人才,即量子计算机建设的人才。另一方面是量子计算应用类的人才,例如机器学习和量子计算的跨领域交叉人才等,都需要在真正的系统中磨练、结合。

  “实验机构、教育机构、大学等都表示要开量子计算的学科,因为他们需要在这方面进行大量人才的储备。”理查德表示,因此需要量子计算服务来掌握如何去研发、建构量子计算机,以及开发配套的纠错系统。相关服务为开发人员预开发好现成的量子计算算法,并提供不同类型的仿真模拟器,很多开发人员在开发出他们的算法之后,测试其实不是在真的计算机上去测试的,而是在这些模拟器上进行测试。

  量子计算已经在为人类服务的路上

  有报道称,首个商用量子计算机公司D-Wave去年为新冠病毒研究人员提供免费的量子云计算服务。“量子计算可以在分子级别更好的进行现实世界的物质模拟,物质的本质是分子之间的互动,量子计算机在模拟这种互动方面有着巨大算力优势。”理查德分析,比如新药的开发、细胞级的系统开发、新材料的研发等都是量子计算机发力的领域。

  日前,宝马集团与亚马逊云科技合作发起一项量子计算挑战赛,来自全球量子计算领域的研究人员、初创企业和先锋公司都可以向该挑战赛提出特定工业挑战的解决方案,并在真正的量子计算技术上测试其解决方案。

  亚马逊云科技工程副总裁比尔·瓦什表示:“推动量子计算领域的前沿研究并帮助企业为量子未来做好准备,这是我们推出量子计算云服务并在量子解决方案实验室建立专家团队的原因。量子计算尚处于早期阶段,但其长期影响有望对许多行业产生变革性影响。”

  相关专家也表示,量子计算还是处于非常不成熟的阶段,目前量子计算机还处于实现单任务分析或单纯计算任务的解决方面。未来,量子计算技术仍需要突破如何纠错和如何把系统做大这两个领域,才能有更进一步的发展和应用。

 
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