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        IBM讓量子計(jì)算在云端成為可能

        2016-08-05 02:34:26蔡立英編譯
        世界科學(xué) 2016年7期
        關(guān)鍵詞:比特量子處理器

        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在世界上首次通過云端實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算向公眾開放,讓任何有興趣親自實(shí)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(jì)算的新應(yīng)用。這是量子計(jì)算時(shí)代的開端,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,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(jì)算機(jī)永遠(yuǎn)不能解決的某些問題。

        IBM的科學(xué)家建造了一臺(tái)量子處理器,通過IBM云提供了第一個(gè)量子計(jì)算平臺(tái),用戶可以通過任何臺(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IBM的量子處理器。IBM相信量子計(jì)算是計(jì)算的未來,有望解決目前超級(jí)計(jì)算機(jī)都無法解決的某些問題。

        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,“這一時(shí)刻代表了量子云計(jì)算的誕生,通過向公眾提供訪問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。”

        隨著摩爾定律漸漸失效,量子計(jì)算將成為開啟跨行業(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端,這個(gè)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(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。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(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,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通過讓用戶訪問IBM量子實(shí)驗(yàn)平臺(tái),將幫助企業(yè)和機(jī)構(gòu)開始了解這項(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(dá)里奧·吉爾(Dario Gil)說,“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(jì)算的未來將為他們的機(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。

        [資料來源:ibm.com][責(zé)任編輯:岳 峰]

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