2018年初，量子計算的競爭格局繼續(xù)升溫。但當下的量子計算格局就像是50年前的半導體芯片行業(yè)。

　　硅基集成電路（IC）于1968年進入“中規(guī)?！奔呻A段。在短短幾年內，單個芯片上的晶體管數(shù)量就從十個激增至數(shù)百個。一段時間后變成了數(shù)千個，然后是幾萬個，而現(xiàn)在——五十年后的今天——單個芯片上晶體管的數(shù)量已達數(shù)百億。

　　量子計算是量子物理的一個實際應用，它將被冷卻到毫開爾文溫度的單個亞原子粒子作為計算元素（compute elements）。 這些亞原子計算元素被稱為“量子位”。量子位可以用CMOS技術制造，如標準IC。但若想在量子計算機極度寒冷的運行環(huán)境中，通過互連、控制和傳感器電路來操縱和協(xié)調越來越多的量子位，需要新的科學和技術的發(fā)展。

　　IBM 16量子位處理器(來源:IBM)

　　量子計算目前正處于量子位只有兩位數(shù)的時代。2017年，一個具有20個通用物理量子位的芯片橫空出世，「我」相信2018年，我們將見證具有超過50個通用量子位的芯片誕生。但是第一個面向大眾市場的通用量子計算機需由數(shù)千個邏輯量子位構成。邏輯量子位是容錯的，可以進行錯誤檢測并最終糾錯。幾千個邏輯量子位至少可以轉換成幾萬個物理量子位——這取決于物理量子位構造——數(shù)量級也可能更高。

　　IBM的量子計算機I / O子系統(tǒng)，用于獲取進出毫開爾文液氦浴中的電信號（來源：TIRIAS Research）

　　事實上，從幾十演變?yōu)閹装賯€物理量子位需要一定的時間；從幾百到幾千則需要更長的時間。專家們認為，一個具有數(shù)千個邏輯量子位并可商業(yè)化部署的量子計算機問世至少需要十年的時間，甚至二十年。 “量子至上”很難一蹴而就。不過與此同時，許多供應商正在取得令人矚目的進展。

　　這是2018年初量子計算的記分卡。量子計算目前正處于快速擴張階段，但當數(shù)量較少時，快速增長很容易。

　　量子系統(tǒng)之下

　　IBM和Rigetti推出了可用于公共和有限訪問使用的基于云的通用量子計算機（分別為20和19量子位系統(tǒng)），各自都有一個全棧軟件開發(fā)工具包（devkit）。 NTT推出了基于云的量子點和基于光子學的體系結構，及其全棧開發(fā)套件（devkit）。 微軟和谷歌推出了他們的通用量子計算研發(fā)計劃以及全棧devkit和模擬器，但尚未公開展示硬件。英特爾展示了芯片原型，但還沒有進行驗證。 IonQ，Quantum Circuits和RIKEN正在投資硬件開發(fā)，但還沒有對外公布他們的工作。目前只有兩家公司在向客戶銷售專用系統(tǒng)，不過是否可以被稱為量子計算機仍存在爭議：D-Wave的量子退火架構和Atos的專用量子模擬器。

　　D-Wave和NTT實現(xiàn)了2048個物理量子位，不過他們使用完全不同的技術來實現(xiàn)，而且他們的系統(tǒng)并沒有顯示出完全通用的量子計算能力。他們的架構適用于解決優(yōu)化、分子動力學、甚至深度學習訓練和推理任務等問題。

　　D-Wave量子計算芯片(來源: TIRIAS Research)

　　量子計算模擬

　　模擬數(shù)十個物理量子位需要大量的“傳統(tǒng)”計算能力，這相當于當下最先進的基于IC的計算、內存、存儲和網(wǎng)絡結構。如果研究人員可以真正構建與當前仿真系統(tǒng)一樣大的真實系統(tǒng)，這些“仿真軟件”可能比他們模擬的量子計算機運行速度慢幾個數(shù)量級。

　　上周，來自Jülich超級計算中心，武漢大學和格羅寧根大學的歐洲研究人員組成的團隊成功地模擬了一個46量子位的通用量子計算機。 這個模擬打破了美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室4月份創(chuàng)下的 45量子位的記錄。去年7月，哈佛 - 麻省理工學院超冷原子中心和加州理工學院的一個美國團隊模擬了一個51量子位量子計算機，但它是為了解決一個特定的方程，而不是通用的模擬。 去年11月，馬里蘭大學和美國國家標準與技術研究院（NIST）的一個小組發(fā)表了一篇關于53量子位模擬器的論文，但它也是為了解決一個特定的問題。

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

　　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（詳細信息請參閱下面Q Network的公告）。IBM表示，他們已經(jīng)構建好并在內部測試了一個50量子位芯片。IBM Q Network的參與者可以訪問新的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（荷蘭量子計算和量子互聯(lián)網(wǎng)研究中心）交付了一個17量子位的測試芯片，并于2018年初在消費電子展（CES）上展示了一個49量子位芯片。Rigetti本周宣布，其19量子位芯片可用于云訪問（訪問需經(jīng)Rigetti批準）。

　　Rigetti的芯片是20量子位架構，其中一個量子位有一個制造缺陷，緊隨在IBM之后。谷歌已經(jīng)在內部測試了6個、9個和20個量子位芯片，并且正在研究一個49量子位芯片，該芯片本計劃在2017年底交付使用，但并沒有如期發(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“即將問世”。這并不奇怪，因為IBM正在內部使用其Power Systems在開發(fā)過程中模擬量子計算機。

　　量子軟件開發(fā)

　　在軟件方面，為了吸引學術研究人員到特定的體系結構，開源關鍵代碼是必需的，因為這些研究人員在過去的幾十年里一直在開源內部量子計算環(huán)境。

　　今年，IBM開放了QASM（Quantum ASseMbler），這是IBM QISKit（Quantum Information Software Kit）的一個關鍵部分 。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）是開源的量子計算模擬器，在各大量子計算硬件社區(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的標志都在其網(wǎng)站上出現(xiàn)）。

　　據(jù)推測，QuTiP正被用來模擬正在開發(fā)的硬件架構。Google與Rigetti合作了一個編譯和分析量子化學問題的開源軟件包——OpenFermion。微軟則推出了Q＃（Q-sharp）量子計算語言（請在下文中閱讀有關微軟的更多信息）。相關的活動還有很多，在此不再一一贅述。

　　關于中國

　　由于缺少量子計算機的出版物和公告，中國公司一直受到廣泛的關注。今年中國宣布成立了價值100億美元的量子信息科學國家實驗室，并計劃于2020年開放。阿里巴巴、百度和騰訊在人工智能和深度學習投入了大量資金，希望今年可以聽到更多關于他們關注量子計算的消息。

　　最近的大公告

　　微軟宣布量子開發(fā)套件

　　微軟在二十年前——2000年——就開始從事量子計算工作。去年九月份，微軟在Ignite上宣布，它將在2012年發(fā)現(xiàn)的Majorana Fermions基礎上開發(fā)量子計算程序。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經(jīng)濟得多——僅需大約10個物理量子位到一個邏輯量子位，而不需成千上萬個。

　　微軟的Majorana Fermion量子計算原型芯片（來源：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展。 相反，微軟專注于量子模擬的新的Q＃語言，使其緊密融合其Visual Studio集成開發(fā)環(huán)境（IDE）和量子計算機模擬工具，包括分析資源利用率的跟蹤模擬器，以及大量的庫、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矢量擴展指令集，自2011年“Sandy Bridge”處理器一代以來，在英特爾處理器中得到了支持。 微軟去年也宣布了它的項目——基于FPGA的AI加速器的“腦波計劃”（“Brainwave”），并暗示它正在Brainwave上運行“量子啟發(fā)優(yōu)化”。我的猜測是，微軟正在通過優(yōu)化Brainwave的FPGA深度神經(jīng)網(wǎng)絡（DNN）邏輯，提高深度學習模型的準確性或速度，或提高這兩者。

　　微軟的開放十分重要，因為使用Visual Studio IDE的企業(yè)軟件開發(fā)人員有很多。 這是一個成熟高效的工具包。將量子計算集成到Visual Studio中可能會使新一代的學術研究人員告別開源IDE，就像英偉達通過其CUDA應用程序編程接口（API）和工具包去實現(xiàn)GPU編程一樣。

　　IBM宣布Q Network

　　IBM已經(jīng)推出了QISKit API和devkit，以供開發(fā)人員訪問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)開發(fā)計劃。IBM將基于支付能力和對IBM量子生態(tài)系統(tǒng)可能的貢獻值來限定會員資格，而沒有在會員級別上設限。

　　訪問IBM的量子計算資源非常簡單，通常訪問都是Q Network參與者的一或兩代訪問硬件和最新的開發(fā)資源。 有三種類型的會員，公布的參與者是：

• Hubs（教育、研究、開發(fā)和商業(yè)化區(qū)域中心）：慶應義塾大學，墨爾本大學，橡樹嶺國家實驗室（ORNL），牛津大學和IBM研究院

• 合作伙伴（特定行業(yè)或學術領域的先驅）：戴姆勒（Daimler），摩根大通（JPMorgan Chase & Co），JSR和三星（Samsung）

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

　　IBM的Q Network和更大的IBM Q體驗用戶群的目標用戶是研究生，學術研究人員和商業(yè)研究人員。無論是提供基礎設施還是理解如何通過量子計算機編程來解決有用問題，量子計算都還處于實驗階段。量子計算目前還處于發(fā)現(xiàn)和啟發(fā)階段。

　　IBM表示，Q Experience工具被1500多所大學，300多所私立教育機構和300多所高中用作其物理課程的一部分。 這也是英偉達成功的CUDA工具教育推廣戰(zhàn)略。IBM稱35個第三方研究出版物使用了Q Experience工具，這個數(shù)字令人印象深刻——它突顯了量子計算早期研究人員正在進行的激烈競爭。

　　關于未來

　　實現(xiàn)量子計算的商業(yè)化，我們還有很長的路要走。途中可能會有一些暫時的優(yōu)勢， 但隨著投入量子計算研發(fā)的大量投入，如果沒有持續(xù)長期的研發(fā)和商業(yè)化戰(zhàn)略，任何一個競爭者的短期量子優(yōu)勢都將轉瞬即逝。

　　不出意外的話，2018年我們將看到具有50個或更多通用量子位的系統(tǒng)。我們還將看到一些更專門的系統(tǒng)——超過2000個物理量子位，在解決某一類問題時突顯出顯著的量子優(yōu)勢。我們計劃在3月份參加量子通信、測量與計算國際大會（QCMC），緊跟量子計算的研究潮流。

　　關于作者

　　Paul Teich是TIRIAS Research的一名權威的技術專家和首席分析師，主要負責云服務，數(shù)據(jù)分析，物聯(lián)網(wǎng)和大規(guī)模用戶體驗。 他也在福布斯科技界的富豪榜上。 Teich之前是Moor Insights＆Strategy的首席技術官和高級分析師。 三十年來，Teich專注于IT設計、開發(fā)和營銷方面，在產(chǎn)品營銷和管理方面擔任二十年的AMD職位，最后是市場研究員。Paul擁有12項美國專利，在德克薩斯州A＆M獲得計算機科學學士學位（BSCS），在德克薩斯大學麥康姆商學院的技術商業(yè)化碩士學位。