内幕故事:科技巨头争夺量子霸权的高风险角逐(中)

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编者按:在摩尔定律即将寿终正寝的时候,量子计算给了人们新的希望。这种有望令全世界所有的经典计算机的能力加起来也黯然失色的新计算机,随着去年Google宣告实现量子霸权(量子计算机可以实现全世界上最好的经典超级计算机也完成不了的工作),最近又掀起了一轮炒作。量子计算机究竟是如何实现的?它的能力真的有这么强吗?我们距离实用的量子计算机还有多久?如果最终证明量子计算只是海市蜃楼会怎样?《连线》英国版的Jason Koxvold对此进行了剖析,原文标题是:Inside big tech’s high-stakes race for quantum supremacy。篇幅关系,我们分三部分刊出,此为第二部分。

划重点

Google去年宣称实现了量子霸权,但后来受到了质疑

有些问题经典计算机不擅长,比如不确定性问题

可以把量子比特看成是一个地球,在它的北极处为1,在南极处为0,同时在地球上的任何其他地方则是它们的叠加

除了可以更有效地模拟自然之外,量子计算机还能在内存中保留不确定性,并且以比传统机器快数千倍的速度解决类似旅行商问题之类的事情

要想观察量子又不干扰其状态需要量子纠缠

Ekert的演讲打响了量子竞赛的起跑枪

Google、IBM等走的是跟经典计算机更吻合的超导量子比特路线

微软想攻关未必存在的拓扑量子位——那玩意儿就像伏地魔的魂器

加拿大的D-Wave是个另类,其商用量子计算机只能解决特定问题

量子比特的数量没有“量子体积”重要

“量子霸权”已经让位于“量子优势”,实现量子优势可能还需要五年或者五十年的时间

从影响的角度来看,2020年1月的量子计算可能类似于1993年1月的互联网

如果因为存在某些真正根本的原因我们没法建造量子计算机的话,那会是一个更加美妙的场景:也许在此探索过程中我们将能揭示出宇宙的基本真理

内幕故事:科技巨头争夺量子霸权的高风险角逐(上)

群雄逐鹿量子计算

在过去十年的时间里,全球一些最大的公司——包括Google、Amazon、微软和IBM在内——争相想要成为第一家制造出可运行,实用的量子计算机的公司。

Google于2013年建立了量子人工智能实验室。一开始,由Google Glass项目联合创始人Hartmut Neven 领导的该实验室,跟美国国家航空航天局(NASA)以及早期的量子先驱D-Wave进行合作。但是在2014年时,它改弦易辙,转而跟加州大学圣塔芭芭拉分校John Martinis领导的研究团队签署了合作伙伴关系,随后在开发一种被称为超导量子比特的量子位方面取得了良好的进展。

超导量子比特基于一种被称为约瑟夫逊结的独特结构,这种特殊构造的微金属环有一种很有用的特性,称为非线性。无论给它施加多少能量,它都只能被限制在两个能量状态或两个能量状态的叠加上。本质上,它的行为就像一个开关。

实现量子计算有不同的方法——量子比特被悬浮在激光束里面,困在钻石里面,也可以从像MRI扫描仪那样的机器里面的数十亿个粒子的集中磁校准推断出来。有些路线是先易后难,一开始实现难度平缓,但随后难度陡增,而有的路线(比方说超导量子位)则是一开始就是陡峭的学习曲线,但有望更容易扩展到成千上万个量子位,我们解决现实世界的问题最终就需要这么多的量子位。

不过,目前大多数主要参与者(包括Google和IBM在内)都是首选超导量子位,因为这种实现方法跟地球上几乎所有经典计算机的内部硅架构都更加吻合。Boixo 表示:“超导量子比特这种方法一直被视为跟为我们的生活提供动力的经典集成电路最接近的类似物。一旦克服了这种组件的某些缺陷,我们就可以像传统计算一样对其进行扩展。我们就将收获所有的各种好处,而且只需要克服那些不利因素。”

在实验室,Megrant介绍了他是怎么用微波脉冲让每个量子位的能量状态在0和1之间翻转,如何通过让电流通过系统来修改每个状态的阈值以及量子位之间的耦合强度,从而形成纠缠的。但这一切只有在超级低温的情况下才起作用,而这只是超导量子位如此难以弄好的原因之一。

所有类型的量子比特都非常的挑剔——哪怕一点点的小干扰都有可能会让它们脱离叠加状态,所以它们需要尽可能跟环境保持隔离。但是它们也需要加以控制。微软负责量子硬件的总经理Chetan Nayak说:“你既要努力让量子计算机的内部机制保持隔离,同时也要能够告诉它该怎么做并从中获取答案。”

Google的低温恒温器旨在逐步降低温度。每一级会变得冷一点;整台机器需要将近两天的时间才能将量子芯片的温度降至10毫卡尔文,而将其加热到室温需要将近一周的时间。

Sycamore芯片跟它的前身Bristlecone一样,都是在UCSB制造的,它就像一块奥利奥饼干一样被夹在中间,从而建立起一个脆弱的约瑟夫逊结。在显微镜下,银丝线伸出到芯片的边缘。最终,它们连接到一团缠结的蓝色导线,后者再将量子比特发出的微弱信号放大并传送给包围着每个低温恒温器的其中一个机架。

一位微软工程师在组装一台量子计算机低温恒温器的“枝形吊灯”

连接一台机器最长需要两周的时间:要想增加量子位的数量,Google得找到一种新的占用空间更少的接线解决方案,或者找到一种从低温恒温器内部控制量子位的方法。Megrant表示:“如果你尝试把温度降到10mK,很多东西都会崩掉。” 微软和Google现在都在致力于制造可以在较低温度下运行的经典芯片,以便在不增加干扰的情况下控制量子位。

这一切都是微妙的平衡做法的一部分。每一次量子计算都是一次疯狂的竞赛,以在量子比特叠加“退相”之前的N分之一秒钟之内执行尽可能多的操作。正尝试提高量子芯片的时钟速度并改善这方面性能的芬兰初创公司IQM的Jan Goetz解释说:“量子信息的生命周期非常短。你制造的处理器越复杂,生命周期缩得越短。”

在过去十年的时间里,我们看到不同公司争相宣告自己实现的量子比特数量在不断增长。2016年,Google用九量子比特位的量子计算机模拟了一个氢分子。2017年,英特尔实现了17 量子位,随后IBM造出了一颗50量子位的芯片,且让量子状态保持了90微秒。Google在2018年推出了自己的72个量子位处理器Bristlecone,IBM则在2019年推出了自己的第一台商用量子计算机——20个量子位的IBM Q System One。

总部位于加拿大的D-Wave一直以来都是一个异类。自1990年代末以来,它一直在销售商用量子计算机,并声称自己的设备具有数千个“退火量子位”,但是这些实现有着不同的理论方法基础,仅适用于某些类型的问题。

无论如何,有一点已经变得越来越明显,那就是量子比特的数量并没有IBM Research Europe科学技术部门负责人Heike Riel所谓的“量子体积”那么重要,这是IBM提出的 用于测量量子计算机的强大程度的一个性能指标 。她说:“量子位的数量固然重要,但这并不是全部。” 量子体积可告诉你在量子位脱离叠加之前可以在几分之一秒内完成多少有用的计算。

在过去十年的时间里,Google的大部分工作都放在了慢慢改进相干时间(量子位持续多长时间)和门时间(算法的组成部分——各种逻辑门的速度)上。

跟前身相比,Google 54位的量子比特Sycamore芯片具的量子比特数没那么多,但它们被安排到了一个网格里面,从而可以进行更快的计算。Boixo 为芯片设定的任务包括模拟一系列随机的量子逻辑门输出——对于传统计算机而言这是很难做到的,但对于量子芯片而言则相对简单。

Google量子硬件工程师Anthony Megrant :“有些人深信我们所做的事情或接下来要做的事情是不可能的”

2019年的头几个月,他们的团队慢慢提高了实验的难度——给操作增加越来越多的量子比特。一开始的时候,一切看起来都不错。但到2019年3月时,他们发现自己的量子芯片性能出现了惊人的下降,大概就是复杂度到了超级计算机开始难以处理的程度的时候。在即将超出我们所知的物理学知识范畴进行操作的问题在于,当你遇到问题时,你不知道这是由于制造错误,噪声和干扰所造成的,还是因为遇到了根本性的障碍——一些尚未被发现的宇宙定律。Megrant开玩笑说:“也许量子力学发挥作用就停留在30量子比特位上了。”

事实并非如此——结果表明,问题原来是校准错误所致——但一些研究人员认为,可能还存在其他的障碍。即使Google采用了一切技术来保护量子位免受干扰,但机器的错误率仍然惊人地高。量子位经常会翻转到错误状态,或者在不该退相之前就退相了。

纠正这些错误是由可能的,但为此你需要更多的量子位——然后需要更多的量子位来纠正那些量子位。按照当前的错误率,你得有好几千或者上百万的量子位去跑算法才具备实用性。这就是为什么创造了“量子霸权”一词的物理学家John Preskill把这一时期称为嘈杂中型量子(Noisy Intermediate-Scale Quantum,NISQ)时代的原因,这让我们意识到我们距离实用设备还有很长的路要走。这也是微软坚信超导量子位是死胡同的原因。Nayak说:“我们看不到商业规模量子计算机能够解决当今无法解决的问题的一线希望。”

相反,在这家软件巨头的庞大园区里(大到会议赶场最快捷的办法是打Uber ),研究人员正在测试一种跟Google的极为相似的低温恒温器,但是如果情况按照计划进行的话,里面将会是一种非常不同的量子处理器。

如果说Google攀登量子山峰之路是陡峭的话,那微软爬的那条路却有走不了的可能。他们不用超导量子位,而是试图用一种称为“拓扑量子位”的另类量子位。唯一的问题是,这玩意儿可能根本不存在。

微软量子研究实验室负责量子软件的总经理Krysta Svore 说:“也许我们进行的是一场马拉松而不是短跑。拓扑量子比特的基础是一种叫做Majorana 的理论粒子。这种粒子一次可以对多个位置的量子位状态进行编码。如果可以产生出来的话,拓扑量子位可以成为超导量子位更健壮的替代方案,因为其叠加状态更加不易消除。其结果是,你需要的量子位要少十倍。

Nayak用哈利·波特来打比方。他说:“哈利波特里面主要的反角伏地魔把自己的灵魂分成了七个部分,制造成6个魂器,然后再把这些魂器分散出去,这样他就不会被杀死。我们对拓扑量子位所做的工作是把量子位扩展到六个Majoranas 。那就是我们的魂器。仅对一个或者另一个进行某些操作是干不掉伏地魔的。我们的量子位依旧还在。”

但是科学家仍然不能完全确定马约拉纳(Majorana)粒子是否真实存在。相关理论从1930年代就开始形成,但是实验证据并非无懈可击。不过,2020年1月我跟Nayak 和Svore交谈的时候,他们都充满信心。Nayak说:“我们不是在抓瞎碰运气。我们有仿真的指导。”

低温恒温器的底座,用来放置测试用的量子芯片

译者:boxi

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