蔡立英/編譯

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IBM讓量子計算在云端成為可能

蔡立英/編譯

IBM量子計算科學(xué)家杰·甘貝塔（Jay Gambetta）利用一臺平板電腦與IBM量子實驗平臺進行互動，該平臺由位于紐約州約克鎮(zhèn)的IBM沃森研究中心

●IBM研究院于2016年5月4日宣布，IBM率先向公眾開放量子計算，用戶能在IBM量子處理器上做實驗。

5月4日，IBM在世界上首次通過云端實現(xiàn)量子計算向公眾開放，讓任何有興趣親自實踐的人能訪問IBM量子處理器，促使科研人員和科學(xué)共同體加速創(chuàng)新，有助于發(fā)現(xiàn)量子計算的新應(yīng)用。這是量子計算時代的開端，也是IBM朝著建造通用量子計算機的目標取得的最新進展。通用量子計算機一旦建造出來，將代表信息技術(shù)發(fā)展史上最偉大的里程碑之一，有望解決我們過去和將來用經(jīng)典計算機永遠不能解決的某些問題。

IBM的科學(xué)家建造了一臺量子處理器，通過IBM云提供了第一個量子計算平臺，用戶可以通過任何臺式機或移動設(shè)備接入這個云端量子計算平臺，訪問IBM的量子處理器。IBM相信量子計算是計算的未來，有望解決目前超級計算機都無法解決的某些問題。

提供云服務(wù)的量子計算平臺叫做“IBM量子實驗平臺”（IBM Quantum Experience），將允許用戶在IBM的量子處理器上運行算法和實驗，探索圍繞量子計算可能的相關(guān)教程和仿真。

量子處理器由5個超導(dǎo)量子比特組成，位于IBM沃森研究中心的5量子比特的處理器代表了IBM量子計算機架構(gòu)的最新進展，能擴展到更大的量子系統(tǒng)，是建造通用量子計算機的領(lǐng)先方法。

一臺通用量子計算機能進行編程，運行任何計算任務(wù)，其運算速度將比經(jīng)典計算機快很多，將在科學(xué)和商業(yè)上具有很多重要的應(yīng)用。

目前，通用量子計算機尚未問世，但是IBM預(yù)測具有50-100量子比特的中等規(guī)模量子處理器可能在未來十年誕生。只需擁有一臺具有50量子比特的量子計算機，當今任何一臺排名前500的超級計算機都無法與之匹敵，反映出該技術(shù)的巨大潛力。量子計算機研究領(lǐng)域的科學(xué)家和理論家正致力于掌控量子計算機的巨大威力，最優(yōu)化地加以應(yīng)用，化學(xué)將很可能是最先展現(xiàn)量子加速度的領(lǐng)域。

“量子計算機與目前的計算機有很大的不同，不僅在于其外觀和組成，更重要的在于它們能做什么。量子計算正在變成現(xiàn)實，而且其對計算的擴展將遠遠超出用目前計算機所能想象到的，”IBM研究院高級副總裁兼主任阿文德·克里希納（Arvind Krishna）說，“這一時刻代表了量子云計算的誕生，通過向公眾提供訪問IBM量子實驗系統(tǒng)的機會，IBM量子實驗平臺將讓科研人員和科學(xué)共同體更容易在量子領(lǐng)域加速創(chuàng)新，有助于發(fā)現(xiàn)該技術(shù)的新應(yīng)用?！?/p>

隨著摩爾定律漸漸失效，量子計算將成為開啟跨行業(yè)創(chuàng)新的新時代的技術(shù)之一。計算領(lǐng)域的這一飛躍將導(dǎo)致新藥的發(fā)現(xiàn)和完全安全的云計算系統(tǒng)，開啟人工智能的新前景，發(fā)展變革工業(yè)的新材料科學(xué)，搜索海量的大數(shù)據(jù)。

IBM量子計算平臺

量子信息非常脆弱，需要避免因熱量和電磁輻射導(dǎo)致的任何錯誤。基于進出極低溫稀釋制冷機的信號，你才能判斷量子處理器的工作情況。

IBM研究團隊在設(shè)備水平和電子控制方面都取得了許多有力的工程進展，在這臺5量子比特的量子處理器上，給IBM量子計算平臺的用戶提供了前所未有的可靠而高質(zhì)量的計算性能。

結(jié)合IBM研究院生態(tài)系統(tǒng)提供的專業(yè)軟件能力，該研究團隊已經(jīng)在IBM云平臺上建立了一個動態(tài)的用戶界面，用戶可以很容易通過云端連接到量子計算機的硬件上。該研究團隊認為：向公眾介紹完整的量子計算架構(gòu)只是形成全新用戶群體的開端，這個用戶群體將擁抱量子世界，了解其工作原理。

未來，用戶將有機會在IBM量子實驗平臺主辦的社區(qū)中貢獻和評論他們的實驗結(jié)果，IBM的科學(xué)家將直接參與并提供更多有關(guān)這項新技術(shù)的研究成果和洞見。IBM計劃逐步給IBM量子實驗平臺增加更多的量子比特和不同的處理器配置，這樣用戶能拓展他們的實驗，有助于發(fā)現(xiàn)該技術(shù)的新應(yīng)用。

量子計算——一種不同的思考方式

我們生活在一個由經(jīng)典物理學(xué)定義我們的經(jīng)驗、直覺和如何處理信息的世界中，然而，原子水平的自然界是由量子力學(xué)這套不同的規(guī)則支配的。要解決自然界中由量子力學(xué)支配的問題，例如理解分子如何運動，超出了經(jīng)典計算機的能力范圍。

為了克服這個困難，1981年，理查德·費曼（Richard Feynman）提出建造基于量子力學(xué)規(guī)律的計算機。30年后，IBM正在幫助費曼實現(xiàn)這個宏愿。

量子計算機的工作原理與目前的計算機有著本質(zhì)的不同，經(jīng)典計算機利用比特（bit）處理信息，每個比特要么代表一個1，要么代表一個0。相反，一個量子比特（qubit）既能代表一個1或一個0，也能同時代表一個1和一個0，即所謂的疊加態(tài)（superposition）。量子比特的這個特性和其他量子效應(yīng)一起使得量子計算機進行某些特定的計算時，比經(jīng)典計算機要快得多。

目前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的大多數(shù)量子計算研究聚焦于建造通用量子計算機，面臨的主要挑戰(zhàn)包括制備高品質(zhì)的量子比特，然后用一種可擴展的方法把這些量子比特“封裝”在一起，以便它們能以一種可控的方式進行復(fù)雜的計算。

IBM利用的是超導(dǎo)量子比特，由硅芯片上的超導(dǎo)金屬制備而成，能利用標準化硅片制造技術(shù)進行設(shè)計和生產(chǎn)。2015年，IBM的科學(xué)家通過把超導(dǎo)量子比特排列成格型結(jié)構(gòu)（lattice architecture），在檢測量子錯誤方面取得關(guān)鍵性突破，這種量子電路設(shè)計是唯一能擴展到更大維度的物理架構(gòu)。

現(xiàn)在，IBM的科學(xué)家取得了進一步的進展，把5量子比特封裝到格型結(jié)構(gòu)中，演示了一項被稱為“奇偶校驗位測量”（parity measurement）的關(guān)鍵操作，這是很多量子糾錯（quantum error correction）協(xié)議的基礎(chǔ)。實現(xiàn)通用量子計算的關(guān)鍵就在于量子糾錯的成就，IBM研究團隊已經(jīng)朝著這條充滿挑戰(zhàn)性的道路邁出了重要的另一步。

量子計算的新前沿

近年來，量子計算領(lǐng)域取得了巨大的進展，也受到了人們的高度關(guān)注。IBM通過讓用戶訪問IBM量子實驗平臺，將幫助企業(yè)和機構(gòu)開始了解這項技術(shù)的巨大潛力，促使大學(xué)在量子計算和相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域增設(shè)教學(xué)項目，促使大學(xué)生開始意識到前景廣闊的新的職業(yè)道路。

“探求建造首臺通用量子計算機的途徑是一個美麗的挑戰(zhàn)，但也要求我們改變思考世界的方式。接入早期量子計算原型機將是我們構(gòu)想和開發(fā)未來應(yīng)用的關(guān)鍵，”IBM研究院科學(xué)與解決方案部副總裁達里奧·吉爾（Dario Gil）說，“如果你想了解一臺真正的量子計算機能為你做什么以及它是如何工作的，那么，IBM量子實驗平臺正是你做這些研究的地方，而且獨此一家，因為你在別處是無法體驗到的?！?/p>

IBM量子實驗平臺是新成立的IBM研究院前沿研究所（IBM Research Frontiers Institute）的核心項目。前沿研究所是一個研發(fā)和分享突破性計算技術(shù)的創(chuàng)新聯(lián)盟，旨在激發(fā)變革世界的創(chuàng)新成果。來自各行各業(yè)的公司均可利用IBM的科研人才和尖端研究設(shè)施，來探索量子計算的未來將為他們的機構(gòu)和事業(yè)創(chuàng)造哪些優(yōu)勢。前沿研究所的創(chuàng)始成員包括三星、JSR、本田公司。

［資料來源：ibm.com］［責任編輯：岳 峰］