导读

作为一个历史悠久的科技巨头,IBM公司正致力于打造更加实用,甚至可商用的通用量子计算机,在此过程中结合了云计算和软件等多种技术,并且建立起量子计算的云平台以及生态系统。本文旨在带大家一起观察一下IBM在量子计算方面的规划和进展。

关键字

通用量子计算机、量子位、量子处理器


时下,量子计算机作为一项前沿创新技术正备受各界关注。前几天,笔者在《声子计算机:计算机技术未来发展的新希望!》一文中,再次为大家解释了量子位的概念,也说明了相对于经典计算机,量子计算机强有力的并行计算能力,可以带来新的希望,解决经典计算机无法企及的问题。


众所周知,世界各国的各大科技公司和科研机构,都在争相研发量子计算机,抢占量子计算这一战略高地。然而,John 今天要带大家重点关注一家历史十分悠久的科技巨头:IBM公司,看看IBM在量子计算机的开发方面,是如何进行规划的,以及取得了哪些进展。


“Quantum Experience”


首先,我们从IBM去年开发的量子计算平台聊起。2016年5月份,笔者曾在《IBM量子计算平台和云端量子处理器》一文中,介绍过IBM开发的一款基于云的量子计算平台:“Quantum Experience”。要详细了解,请大家参考前面的文章,这里为了简明扼要,笔者提取出以下几个值得关注的重点:


  • 具有5个量子位的超导量子计算处理器,这代表了当时IBM量子构架研究的最新成果,并且可扩展至更大规模的量子系统。


(图片来源于:IBM研究院)

  • 量子纠错能力,将量子位封装到晶格型结构中,实现奇偶校验位检测,从而保证量子计算的准确性。

  • 基于IBM云平台的开放式体验系统,用户可以通过云轻松连接量子硬件,操作量子位,运行算法,进行教学和模拟实验,从而形成一个基于量子计算的、开放的用户社区。这样不仅可以激发普通爱好者的兴趣,也促进了科研人员的科学研究和科技创新。



(图片来源于:IBM研究院)


从以上提及的几点重要进展中,我们可以思考一下,量子计算机的研发和发展呈现出何种趋势和特点?我简单分析如下:


主要是量子位越来越多、纠错能力越来越强、以及打造更加开放式的社区和体验系统,形成庞大的生态链。当然,最重要的一点,就是打造可商用的“通用量子计算机”。


那么,我们不禁要问什么是通用量子计算机呢?


首先,大家可以看笔者在《可编程配置的“囚禁离子”:让通用量子计算机离现实更近》和《通用量子计算机领域的重要进展:“小型化量子位”技术》对于通用量子计算机的概念做过一些介绍,并且还介绍了科学界为实现通用量子计算机所取得的一些进展。


为了帮助大家理解,我首先简单解释一下通用计算机的概念:


现在,不少量子计算机都号称具有强大的计算能力,但是这些量子计算机往往受限于实验室环境,并且也只能运行一些特定算法,无法到达可随意运行“任意算法”的效果。简单一点说,量子计算机无法像目前的经典计算机一样,运行任意程序,所以其运算速度优势无法真正展示出来。

然而,要打造真正的通用量子计算机,还需要战胜种种挑战,例如:实现更多的量子位、克服温度和环境因素影响、量子纠错能力、量子位小型化、低成本化等等。所以,IBM等各大公司和科研机构都在积极探索,笔者也将继续关注相关进展。


(图片来源于:IBM研究院)


“IBM Q”量子系统


接下来,我们将视线转回IBM公司。在今年3月份,IBM公司在业界首先倡议构建可商用的通用量子计算机系统,并将新系统命名为“IBM Q”量子系统。它是在IBM Quantum Experience 平台的基础上,通过IBM云平台为广大用户提供相关服务。


(图片来源于:IBM研究院)


虽然,目前IBM也曾研发出 Waston 这样的经典计算机平台,它也可以提供强有力的大数据分析。然而,当实际问题涉及的数据达到十分庞大级别后,经典计算机将无法应对此类问题。此时,量子计算机平台将可以发挥其独特的作用。


例如,目前自然界的许多问题对于经典计算机来说,都是指数级的,十分复杂,难以处理。然而,量子计算应用的一个最好的例子,便是在化学领域。即使对于最简单的分子,例如咖啡因,分子中的量子状态的个数也很多,所以依靠传统计算机的存储器和处理能力,根本无法应对此类问题。然而,IBM的科学家们利用量子处理器和IBM
Q
系统
,却能够有效地处理此类化学相关的问题。


(图片来源于:IBM研究院)

在开发新系统后,IBM不忘对于老系统 “Quantum Experience” 平台进行升级。为了让更多人参与进来,甚至包括没有量子力学背景知识的朋友,IBM发布了新API,让开发人员和程序员可构造量子计算机与经典计算机之间的接口。另外,IBM还发布了一个新模拟器,可为20个量子位的电路建模。2017年上半年,IBM还将发布关于“Quantum Experience”的完整SDK (软件开发包),让用户可以构建简单的量子应用程序和软件程序。


然而,IBM打造IBM Q系统的主要是为了拓展量子计算的应用领域,然而其中一个关键的度量标准就是:量子体积 “Quantum Volume”,它包括:量子位个数、量子操作的质量,量子位的连接性和平行度。


(图片来源于:IBM研究院)

为什么会出现量子体积这样的概念?


这是因为量子处理器解决实际问题的能力,不仅仅取决于量子位的个数,还和量子位的质量相关,也就是量子位之间如何“交谈”,以及最小化量子错误发生的概率。为此,IBM提出了一个新的度量指标:量子体积。

此外,IBM还计划整合各方面资源,例如半导体、软件、云计算、数学等方面,进一步推进量子计算机走向通用化,最终走向商业化。同时,IBM 还与开发人员、程序员、科研院所、工业伙伴展开各种合作,进一步打造 IBM Q 生态系统。

两款最新量子处理器

IBM Q系统对于科学研究、大学教学、以及一些列相关领域产生了巨大的促进作用。目前为止,用户在IBM云平台上已经进行了超过300,000个量子实验

昨天,IBM又带来了令人惊喜的好消息:他们又介绍了两款新的量子处理器,带来了更加强大量子计算能力,为解决商业和科学中遇到的实际问题奠定了基础。


(图片来源于:IBM研究院)


这两款处理器的情况如下:


  • 16个量子位的处理器,让开发人员、程序员和研究人员可以访问它,运行量子算法,利用单个量子位工作,开发教程和模拟仿真。

  • 17个量子位的商用处理器原型,在材料、元器件和架构方面都有了很多进步,可以说是目前为此,IBM所构建的最强大的量子处理器。它比目前IBM云平台上的公布的处理器要强大两倍以上,并将成为IBM Q早期商用系统的基础。

量子计算的应用领域


对于量子计算的应用领域,之前笔者也做过很多介绍,我们今天来看看IBM的说法,量子计算的应用领域将包括:


  • 药物和材料开发,降低分子和化学作用研究的复杂性,发现新型药物和材料。

  • 供应链和物流,寻找全球系统的优化路径,用于超高效的供应链和物流,例如优化节假日的物流车队的配送服务。

  • 金融服务,寻找建模金融数据的新途径,和隔离关键的风险因素,从而进行更好的投资。

  • 人工智能当数据变得很大时,例如搜索图片和视频,让人工智能的机器学习更加强有力。

  • 云安全,让云计算更加安全,通过量子加密提高隐私数据的安全性。


未来


在这两款具有16和17个量子位的量子处理器成功发布后,IBM未来还计划将量子位的个数增加到50个甚至更多,带来更强大、更通用的量子计算系统,帮助我们解决实科研和商业实践中,遇到的各种极其复杂的问题,这些问题依靠经典计算机无法单独完成的。


量子计算技术走向商业化,是这项技术发展日趋成熟的标志。未来,可商用的通用量子计算技术,对于科技市场和科技产业的影响,必将是深远的。

参考资料


【1】http://www-03.ibm.com/press/us/en/pressrelease/52403.wss

【2】https://www-03.ibm.com/press/us/en/pressrelease/51740.wss


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深度观察:IBM正努力打造商用化通用量子计算机
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