蔡立英/編譯

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IBM讓量子計(jì)算在云端成為可能

蔡立英/編譯

IBM量子計(jì)算科學(xué)家杰·甘貝塔（Jay Gambetta）利用一臺(tái)平板電腦與IBM量子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行互動(dòng)，該平臺(tái)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(kāi)放量子計(jì)算，用戶能在IBM量子處理器上做實(shí)驗(yàn)。

5月4日，IBM在世界上首次通過(guò)云端實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算向公眾開(kāi)放，讓任何有興趣親自實(shí)踐的人能訪問(wèn)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(jì)算的新應(yīng)用。這是量子計(jì)算時(shí)代的開(kāi)端，也是IBM朝著建造通用量子計(jì)算機(jī)的目標(biāo)取得的最新進(jìn)展。通用量子計(jì)算機(jī)一旦建造出來(lái)，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(guò)去和將來(lái)用經(jīng)典計(jì)算機(jī)永遠(yuǎn)不能解決的某些問(wèn)題。

IBM的科學(xué)家建造了一臺(tái)量子處理器，通過(guò)IBM云提供了第一個(gè)量子計(jì)算平臺(tái)，用戶可以通過(guò)任何臺(tái)式機(jī)或移動(dòng)設(shè)備接入這個(gè)云端量子計(jì)算平臺(tái)，訪問(wèn)IBM的量子處理器。IBM相信量子計(jì)算是計(jì)算的未來(lái)，有望解決目前超級(jí)計(jì)算機(jī)都無(wú)法解決的某些問(wèn)題。

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

量子處理器由5個(gè)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(jì)算機(jī)架構(gòu)的最新進(jìn)展，能擴(kuò)展到更大的量子系統(tǒng)，是建造通用量子計(jì)算機(jī)的領(lǐng)先方法。

一臺(tái)通用量子計(jì)算機(jī)能進(jìn)行編程，運(yùn)行任何計(jì)算任務(wù)，其運(yùn)算速度將比經(jīng)典計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)尚未問(wèn)世，但是IBM預(yù)測(cè)具有50-100量子比特的中等規(guī)模量子處理器可能在未來(lái)十年誕生。只需擁有一臺(tái)具有50量子比特的量子計(jì)算機(jī)，當(dāng)今任何一臺(tái)排名前500的超級(jí)計(jì)算機(jī)都無(wú)法與之匹敵，反映出該技術(shù)的巨大潛力。量子計(jì)算機(jī)研究領(lǐng)域的科學(xué)家和理論家正致力于掌控量子計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)與目前的計(jì)算機(jī)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(jì)算正在變成現(xiàn)實(shí)，而且其對(duì)計(jì)算的擴(kuò)展將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出用目前計(jì)算機(jī)所能想象到的，”IBM研究院高級(jí)副總裁兼主任阿文德·克里希納（Arvind Krishna）說(shuō)，“這一時(shí)刻代表了量子云計(jì)算的誕生，通過(guò)向公眾提供訪問(wèn)IBM量子實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的機(jī)會(huì)，IBM量子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(jì)算將成為開(kāi)啟跨行業(yè)創(chuàng)新的新時(shí)代的技術(shù)之一。計(jì)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(jì)算系統(tǒng)，開(kāi)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(jì)算平臺(tái)

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(cuò)誤?；谶M(jìn)出極低溫稀釋制冷機(jī)的信號(hào)，你才能判斷量子處理器的工作情況。

IBM研究團(tuán)隊(duì)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(jìn)展，在這臺(tái)5量子比特的量子處理器上，給IBM量子計(jì)算平臺(tái)的用戶提供了前所未有的可靠而高質(zhì)量的計(jì)算性能。

結(jié)合IBM研究院生態(tài)系統(tǒng)提供的專(zhuān)業(yè)軟件能力，該研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在IBM云平臺(tái)上建立了一個(gè)動(dòng)態(tài)的用戶界面，用戶可以很容易通過(guò)云端連接到量子計(jì)算機(jī)的硬件上。該研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為：向公眾介紹完整的量子計(jì)算架構(gòu)只是形成全新用戶群體的開(kāi)端，這個(gè)用戶群體將擁抱量子世界，了解其工作原理。

未來(lái)，用戶將有機(jī)會(huì)在IBM量子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主辦的社區(qū)中貢獻(xiàn)和評(píng)論他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，IBM的科學(xué)家將直接參與并提供更多有關(guān)這項(xiàng)新技術(shù)的研究成果和洞見(jiàn)。IBM計(jì)劃逐步給IBM量子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(shí)驗(yàn)，有助于發(fā)現(xiàn)該技術(shù)的新應(yīng)用。

量子計(jì)算——一種不同的思考方式

我們生活在一個(gè)由經(jīng)典物理學(xué)定義我們的經(jīng)驗(yàn)、直覺(jué)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(wèn)題，例如理解分子如何運(yùn)動(dòng)，超出了經(jīng)典計(jì)算機(jī)的能力范圍。

為了克服這個(gè)困難，1981年，理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）提出建造基于量子力學(xué)規(guī)律的計(jì)算機(jī)。30年后，IBM正在幫助費(fèi)曼實(shí)現(xiàn)這個(gè)宏愿。

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

目前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的大多數(shù)量子計(jì)算研究聚焦于建造通用量子計(jì)算機(jī)，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(kuò)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(jìn)行復(fù)雜的計(jì)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(biāo)準(zhǔn)化硅片制造技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。2015年，IBM的科學(xué)家通過(guò)把超導(dǎo)量子比特排列成格型結(jié)構(gòu)（lattice architecture），在檢測(cè)量子錯(cuò)誤方面取得關(guān)鍵性突破，這種量子電路設(shè)計(jì)是唯一能擴(kuò)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(jìn)一步的進(jìn)展，把5量子比特封裝到格型結(jié)構(gòu)中，演示了一項(xiàng)被稱(chēng)為“奇偶校驗(yàn)位測(cè)量”（parity measurement）的關(guān)鍵操作，這是很多量子糾錯(cuò)（quantum error correction）協(xié)議的基礎(chǔ)。實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算的關(guān)鍵就在于量子糾錯(cuò)的成就，IBM研究團(tuán)隊(duì)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(jì)算的新前沿

近年來(lái)，量子計(jì)算領(lǐng)域取得了巨大的進(jìn)展，也受到了人們的高度關(guān)注。IBM通過(guò)讓用戶訪問(wèn)IBM量子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將幫助企業(yè)和機(jī)構(gòu)開(kāi)始了解這項(xiàng)技術(shù)的巨大潛力，促使大學(xué)在量子計(jì)算和相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域增設(shè)教學(xué)項(xiàng)目，促使大學(xué)生開(kāi)始意識(shí)到前景廣闊的新的職業(yè)道路。

“探求建造首臺(tái)通用量子計(jì)算機(jī)的途徑是一個(gè)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(jì)算原型機(jī)將是我們構(gòu)想和開(kāi)發(fā)未來(lái)應(yīng)用的關(guān)鍵，”IBM研究院科學(xué)與解決方案部副總裁達(dá)里奧·吉爾（Dario Gil）說(shuō)，“如果你想了解一臺(tái)真正的量子計(jì)算機(jī)能為你做什么以及它是如何工作的，那么，IBM量子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)正是你做這些研究的地方，而且獨(dú)此一家，因?yàn)槟阍趧e處是無(wú)法體驗(yàn)到的?！?/p>

IBM量子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是新成立的IBM研究院前沿研究所（IBM Research Frontiers Institute）的核心項(xiàng)目。前沿研究所是一個(gè)研發(fā)和分享突破性計(jì)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(lái)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(lái)探索量子計(jì)算的未來(lái)將為他們的機(jī)構(gòu)和事業(yè)創(chuàng)造哪些優(yōu)勢(shì)。前沿研究所的創(chuàng)始成員包括三星、JSR、本田公司。

［資料來(lái)源：ibm.com］［責(zé)任編輯：岳 峰］