2018年初,，量子計(jì)算的競(jìng)爭(zhēng)格局繼續(xù)升溫,。但當(dāng)下的量子計(jì)算格局就像是50年前的半導(dǎo)體芯片行業(yè),。

　　硅基集成電路（IC）于1968年進(jìn)入“中規(guī)?！奔呻A段。在短短幾年內(nèi),，單個(gè)芯片上的晶體管數(shù)量就從十個(gè)激增至數(shù)百個(gè),。一段時(shí)間后變成了數(shù)千個(gè)，然后是幾萬(wàn)個(gè),，而現(xiàn)在——五十年后的今天——單個(gè)芯片上晶體管的數(shù)量已達(dá)數(shù)百億,。

　　量子計(jì)算是量子物理的一個(gè)實(shí)際應(yīng)用，它將被冷卻到毫開(kāi)爾文溫度的單個(gè)亞原子粒子作為計(jì)算元素（compute elements）,。 這些亞原子計(jì)算元素被稱為“量子位”,。量子位可以用CMOS技術(shù)制造，如標(biāo)準(zhǔn)IC,。但若想在量子計(jì)算機(jī)極度寒冷的運(yùn)行環(huán)境中,，通過(guò)互連、控制和傳感器電路來(lái)操縱和協(xié)調(diào)越來(lái)越多的量子位,，需要新的科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展,。

　　IBM 16量子位處理器(來(lái)源:IBM)

　　量子計(jì)算目前正處于量子位只有兩位數(shù)的時(shí)代。2017年,，一個(gè)具有20個(gè)通用物理量子位的芯片橫空出世,，「我」相信2018年，我們將見(jiàn)證具有超過(guò)50個(gè)通用量子位的芯片誕生,。但是第一個(gè)面向大眾市場(chǎng)的通用量子計(jì)算機(jī)需由數(shù)千個(gè)邏輯量子位構(gòu)成,。邏輯量子位是容錯(cuò)的，可以進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)并最終糾錯(cuò),。幾千個(gè)邏輯量子位至少可以轉(zhuǎn)換成幾萬(wàn)個(gè)物理量子位——這取決于物理量子位構(gòu)造——數(shù)量級(jí)也可能更高,。

　　IBM的量子計(jì)算機(jī)I / O子系統(tǒng),，用于獲取進(jìn)出毫開(kāi)爾文液氦浴中的電信號(hào)（來(lái)源：TIRIAS Research）

　　事實(shí)上，從幾十演變?yōu)閹装賯€(gè)物理量子位需要一定的時(shí)間,；從幾百到幾千則需要更長(zhǎng)的時(shí)間,。專家們認(rèn)為，一個(gè)具有數(shù)千個(gè)邏輯量子位并可商業(yè)化部署的量子計(jì)算機(jī)問(wèn)世至少需要十年的時(shí)間,，甚至二十年,。 “量子至上”很難一蹴而就。不過(guò)與此同時(shí),，許多供應(yīng)商正在取得令人矚目的進(jìn)展,。

　　這是2018年初量子計(jì)算的記分卡。量子計(jì)算目前正處于快速擴(kuò)張階段,，但當(dāng)數(shù)量較少時(shí),，快速增長(zhǎng)很容易。

　　量子系統(tǒng)之下

　　IBM和Rigetti推出了可用于公共和有限訪問(wèn)使用的基于云的通用量子計(jì)算機(jī)（分別為20和19量子位系統(tǒng)）,，各自都有一個(gè)全棧軟件開(kāi)發(fā)工具包（devkit）,。 NTT推出了基于云的量子點(diǎn)和基于光子學(xué)的體系結(jié)構(gòu)，及其全棧開(kāi)發(fā)套件（devkit）,。 微軟和谷歌推出了他們的通用量子計(jì)算研發(fā)計(jì)劃以及全棧devkit和模擬器,，但尚未公開(kāi)展示硬件。英特爾展示了芯片原型,，但還沒(méi)有進(jìn)行驗(yàn)證,。 IonQ，Quantum Circuits和RIKEN正在投資硬件開(kāi)發(fā),，但還沒(méi)有對(duì)外公布他們的工作,。目前只有兩家公司在向客戶銷(xiāo)售專用系統(tǒng)，不過(guò)是否可以被稱為量子計(jì)算機(jī)仍存在爭(zhēng)議：D-Wave的量子退火架構(gòu)和Atos的專用量子模擬器,。

　　D-Wave和NTT實(shí)現(xiàn)了2048個(gè)物理量子位,，不過(guò)他們使用完全不同的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而且他們的系統(tǒng)并沒(méi)有顯示出完全通用的量子計(jì)算能力,。他們的架構(gòu)適用于解決優(yōu)化,、分子動(dòng)力學(xué)、甚至深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練和推理任務(wù)等問(wèn)題,。

　　D-Wave量子計(jì)算芯片(來(lái)源: TIRIAS Research)

　　量子計(jì)算模擬

　　模擬數(shù)十個(gè)物理量子位需要大量的“傳統(tǒng)”計(jì)算能力,，這相當(dāng)于當(dāng)下最先進(jìn)的基于IC的計(jì)算、內(nèi)存,、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),。如果研究人員可以真正構(gòu)建與當(dāng)前仿真系統(tǒng)一樣大的真實(shí)系統(tǒng)，這些“仿真軟件”可能比他們模擬的量子計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度慢幾個(gè)數(shù)量級(jí),。

　　上周,，來(lái)自Jülich超級(jí)計(jì)算中心,，武漢大學(xué)和格羅寧根大學(xué)的歐洲研究人員組成的團(tuán)隊(duì)成功地模擬了一個(gè)46量子位的通用量子計(jì)算機(jī),。 這個(gè)模擬打破了美國(guó)能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室4月份創(chuàng)下的 45量子位的記錄,。去年7月，哈佛 - 麻省理工學(xué)院超冷原子中心和加州理工學(xué)院的一個(gè)美國(guó)團(tuán)隊(duì)模擬了一個(gè)51量子位量子計(jì)算機(jī),，但它是為了解決一個(gè)特定的方程,，而不是通用的模擬。 去年11月,，馬里蘭大學(xué)和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的一個(gè)小組發(fā)表了一篇關(guān)于53量子位模擬器的論文,，但它也是為了解決一個(gè)特定的問(wèn)題。

　　同時(shí),，在云計(jì)算中,，IBM在一臺(tái)經(jīng)典的超級(jí)計(jì)算機(jī)上內(nèi)部模擬了一個(gè)56量子位的通用系統(tǒng)。但是,，在公開(kāi)使用16量子位系統(tǒng)的情況下,， IBM似乎并不重視Q Network項(xiàng)目之外的最終用戶仿真。 微軟新推出的量子開(kāi)發(fā)套件支持在其Azure云中模擬“超過(guò)40個(gè)量子位”,，其本地基于PC的模擬可以在16GB內(nèi)存中擴(kuò)展到大約30個(gè)量子位,。 我不得不懷疑，微軟的Azure量子計(jì)算模擬是否與它最近與Cray的合作關(guān)系有關(guān),。Rigetti的基于云的Forrest模擬器可以模擬多達(dá)36個(gè)量子位,。 Google的Quantum Playground可以模擬多達(dá)22個(gè)量子位。

　　通用芯片

　　2017年底,，IBM推出了20量子位芯片,，這是IBM Q Network發(fā)布的基石（詳細(xì)信息請(qǐng)參閱下面Q Network的公告）。IBM表示,，他們已經(jīng)構(gòu)建好并在內(nèi)部測(cè)試了一個(gè)50量子位芯片,。IBM Q Network的參與者可以訪問(wèn)新的20量子位系統(tǒng)，隨著量子位芯片發(fā)展,，他們還可以提前訪問(wèn)50量子位芯片,。

　　英特爾在去年十月份向其研究合作伙伴QuTech（荷蘭量子計(jì)算和量子互聯(lián)網(wǎng)研究中心）交付了一個(gè)17量子位的測(cè)試芯片，并于2018年初在消費(fèi)電子展（CES）上展示了一個(gè)49量子位芯片,。Rigetti本周宣布,，其19量子位芯片可用于云訪問(wèn)（訪問(wèn)需經(jīng)Rigetti批準(zhǔn)）。

　　Rigetti的芯片是20量子位架構(gòu),，其中一個(gè)量子位有一個(gè)制造缺陷,，緊隨在IBM之后。谷歌已經(jīng)在內(nèi)部測(cè)試了6個(gè),、9個(gè)和20個(gè)量子位芯片,，并且正在研究一個(gè)49量子位芯片,，該芯片本計(jì)劃在2017年底交付使用，但并沒(méi)有如期發(fā)布,。

　　Rigetti 20量子位芯片(左),，谷歌6量子位芯片及其載體 (中)，英特爾49量子位芯片載體(右)(來(lái)源:各自的制造商)

　　Atos表示,，其40量子位模擬器基于英特爾的Xeon處理器,，但專用硬件加速器“即將問(wèn)世”。這并不奇怪,，因?yàn)镮BM正在內(nèi)部使用其Power Systems在開(kāi)發(fā)過(guò)程中模擬量子計(jì)算機(jī),。

　　量子軟件開(kāi)發(fā)

　　在軟件方面，為了吸引學(xué)術(shù)研究人員到特定的體系結(jié)構(gòu),，開(kāi)源關(guān)鍵代碼是必需的,，因?yàn)檫@些研究人員在過(guò)去的幾十年里一直在開(kāi)源內(nèi)部量子計(jì)算環(huán)境。

　　今年,，IBM開(kāi)放了QASM（Quantum ASseMbler）,，這是IBM QISKit（Quantum Information Software Kit）的一個(gè)關(guān)鍵部分 。XACC（EXtreme scale ACCelerator）連接到Rigetti的模擬器和原型芯片以及D-Wave的生產(chǎn)系統(tǒng),。 QuTiP（Quantum Toolbox in Python）是開(kāi)源的量子計(jì)算模擬器,，在各大量子計(jì)算硬件社區(qū)中使用（阿里巴巴、亞馬遜,、谷歌,、霍尼韋爾、IBM,、英特爾,、微軟、諾斯魯普·格魯曼,、Rigetti和RIKEN的標(biāo)志都在其網(wǎng)站上出現(xiàn)）,。

　　據(jù)推測(cè)，QuTiP正被用來(lái)模擬正在開(kāi)發(fā)的硬件架構(gòu),。Google與Rigetti合作了一個(gè)編譯和分析量子化學(xué)問(wèn)題的開(kāi)源軟件包——OpenFermion,。微軟則推出了Q＃（Q-sharp）量子計(jì)算語(yǔ)言（請(qǐng)?jiān)谙挛闹虚喿x有關(guān)微軟的更多信息）。相關(guān)的活動(dòng)還有很多,，在此不再一一贅述,。

　　關(guān)于中國(guó)

　　由于缺少量子計(jì)算機(jī)的出版物和公告，中國(guó)公司一直受到廣泛的關(guān)注,。今年中國(guó)宣布成立了價(jià)值100億美元的量子信息科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室,，并計(jì)劃于2020年開(kāi)放。阿里巴巴、百度和騰訊在人工智能和深度學(xué)習(xí)投入了大量資金,，希望今年可以聽(tīng)到更多關(guān)于他們關(guān)注量子計(jì)算的消息,。

　　最近的大公告

　　微軟宣布量子開(kāi)發(fā)套件

　　微軟在二十年前——2000年——就開(kāi)始從事量子計(jì)算工作。去年九月份,，微軟在Ignite上宣布,，它將在2012年發(fā)現(xiàn)的Majorana Fermions基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)量子計(jì)算程序。如果微軟能夠利用Majorana Fermions,，微縮邏輯量子位可能比替代量子位技術(shù)經(jīng)濟(jì)得多——僅需大約10個(gè)物理量子位到一個(gè)邏輯量子位,，而不需成千上萬(wàn)個(gè)。

　　微軟的Majorana Fermion量子計(jì)算原型芯片（來(lái)源：TIRIAS Research）

　　但是,，在其大型的Majorana Fermion推出之后，微軟一直閉口不言其硬件進(jìn)展,。 相反,，微軟專注于量子模擬的新的Q＃語(yǔ)言，使其緊密融合其Visual Studio集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）和量子計(jì)算機(jī)模擬工具,，包括分析資源利用率的跟蹤模擬器,，以及大量的庫(kù)、代碼示例和所有的文件,。

　　微軟的量子模擬器使用英特爾的高級(jí)矢量擴(kuò)展指令集,，自2011年“Sandy Bridge”處理器一代以來(lái)，在英特爾處理器中得到了支持,。 微軟去年也宣布了它的項(xiàng)目——基于FPGA的AI加速器的“腦波計(jì)劃”（“Brainwave”）,，并暗示它正在Brainwave上運(yùn)行“量子啟發(fā)優(yōu)化”。我的猜測(cè)是,，微軟正在通過(guò)優(yōu)化Brainwave的FPGA深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）邏輯,，提高深度學(xué)習(xí)模型的準(zhǔn)確性或速度，或提高這兩者,。

　　微軟的開(kāi)放十分重要,，因?yàn)槭褂肰isual Studio IDE的企業(yè)軟件開(kāi)發(fā)人員有很多。 這是一個(gè)成熟高效的工具包,。將量子計(jì)算集成到Visual Studio中可能會(huì)使新一代的學(xué)術(shù)研究人員告別開(kāi)源IDE,，就像英偉達(dá)通過(guò)其CUDA應(yīng)用程序編程接口（API）和工具包去實(shí)現(xiàn)GPU編程一樣。

　　IBM宣布Q Network

　　IBM已經(jīng)推出了QISKit API和devkit,，以供開(kāi)發(fā)人員訪問(wèn)IBM基于云的Quantum Experience和本地模擬器,。去年十二月，IBM推出了Q Network生態(tài)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)計(jì)劃,。IBM將基于支付能力和對(duì)IBM量子生態(tài)系統(tǒng)可能的貢獻(xiàn)值來(lái)限定會(huì)員資格,，而沒(méi)有在會(huì)員級(jí)別上設(shè)限。

　　訪問(wèn)IBM的量子計(jì)算資源非常簡(jiǎn)單，通常訪問(wèn)都是Q Network參與者的一或兩代訪問(wèn)硬件和最新的開(kāi)發(fā)資源,。 有三種類型的會(huì)員,，公布的參與者是：

• Hubs（教育、研究,、開(kāi)發(fā)和商業(yè)化區(qū)域中心）：慶應(yīng)義塾大學(xué),，墨爾本大學(xué)，橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）,，牛津大學(xué)和IBM研究院

• 合作伙伴（特定行業(yè)或?qū)W術(shù)領(lǐng)域的先驅(qū)）：戴姆勒（Daimler）,，摩根大通（JPMorgan Chase & Co），JSR和三星（Samsung）

• 成員（制定量子準(zhǔn)備戰(zhàn)略）：巴克萊（Barclays）,，本田（Honda）,，Materials Magic（日立金屬集團(tuán)）和長(zhǎng)瀨（Nagase）

　　IBM的Q Network和更大的IBM Q體驗(yàn)用戶群的目標(biāo)用戶是研究生，學(xué)術(shù)研究人員和商業(yè)研究人員,。無(wú)論是提供基礎(chǔ)設(shè)施還是理解如何通過(guò)量子計(jì)算機(jī)編程來(lái)解決有用問(wèn)題,，量子計(jì)算都還處于實(shí)驗(yàn)階段。量子計(jì)算目前還處于發(fā)現(xiàn)和啟發(fā)階段,。

　　IBM表示,，Q Experience工具被1500多所大學(xué)，300多所私立教育機(jī)構(gòu)和300多所高中用作其物理課程的一部分,。 這也是英偉達(dá)成功的CUDA工具教育推廣戰(zhàn)略,。IBM稱35個(gè)第三方研究出版物使用了Q Experience工具，這個(gè)數(shù)字令人印象深刻——它突顯了量子計(jì)算早期研究人員正在進(jìn)行的激烈競(jìng)爭(zhēng),。

　　關(guān)于未來(lái)

　　實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的商業(yè)化,，我們還有很長(zhǎng)的路要走。途中可能會(huì)有一些暫時(shí)的優(yōu)勢(shì),， 但隨著投入量子計(jì)算研發(fā)的大量投入,，如果沒(méi)有持續(xù)長(zhǎng)期的研發(fā)和商業(yè)化戰(zhàn)略，任何一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)者的短期量子優(yōu)勢(shì)都將轉(zhuǎn)瞬即逝,。

　　不出意外的話,，2018年我們將看到具有50個(gè)或更多通用量子位的系統(tǒng)。我們還將看到一些更專門(mén)的系統(tǒng)——超過(guò)2000個(gè)物理量子位,，在解決某一類問(wèn)題時(shí)突顯出顯著的量子優(yōu)勢(shì),。我們計(jì)劃在3月份參加量子通信、測(cè)量與計(jì)算國(guó)際大會(huì)（QCMC）,，緊跟量子計(jì)算的研究潮流,。

　　關(guān)于作者

　　Paul Teich是TIRIAS Research的一名權(quán)威的技術(shù)專家和首席分析師，主要負(fù)責(zé)云服務(wù),，數(shù)據(jù)分析,，物聯(lián)網(wǎng)和大規(guī)模用戶體驗(yàn)。 他也在福布斯科技界的富豪榜上。 Teich之前是Moor Insights＆Strategy的首席技術(shù)官和高級(jí)分析師,。 三十年來(lái),，Teich專注于IT設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和營(yíng)銷(xiāo)方面,，在產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)和管理方面擔(dān)任二十年的AMD職位,，最后是市場(chǎng)研究員。Paul擁有12項(xiàng)美國(guó)專利,，在德克薩斯州A＆M獲得計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)士學(xué)位（BSCS）,，在德克薩斯大學(xué)麥康姆商學(xué)院的技術(shù)商業(yè)化碩士學(xué)位。