72、50、49,数量决定运算力量?解读量子进制的背后涵义

“量子霸权”是2012年由加州理工学院物理学家普瑞斯基尔(John Preskill)提出的概念,意思是当量子计算机发展到50量子进制时,运算能力就可以超越传统计算机的运算能力。当这一天真正的到来,不仅代表科技走到一个新的里程碑,也意味科技公司真正拥有主宰量子计算机研发能力。

2018年3月,Google发布72进制数的量子处理器“狐尾松”(Bristlecone,其芯片里量子进制的编排图案就像一个松果),成为量子计算机的领先者,Intel与IBM则分别以49个与50个量子进制紧追在后。

Google量子AI实验室2018年公布了具备72量子进制的处理器“狐尾松”(Bristlecone)。

 

市面上有哪些量子计算机?差别在哪里?

Google在2013年成立量子AI实验室(Quantum AI Lab),并礼聘加州大学圣芭芭拉分校超导量子计算机专家马丁尼斯(John Martinis),该团队长期与NASA合作,目标是将量子计算机应用于机器学习等计算机科学问题。

《MIT商业评论》指出,“Google与NASA协议,希望NASA分析Google量子处理器上所运行的量子电路成果,提供其与经典仿真方案间的比较结论,从而支持Google验证自身硬件,并创建起量子霸权基准。”

不过,Google与Intel等公司的量子芯片或服务目前并未开放商用,有开放商用的是IBM与D-Wave这两家公司。

IBM宣布研发出全世界第一台50量子进制的量子计算机,并在2018年的CES正式亮相。另外,IBM以云计算运算形式对外开放Q System One,5个量子进制以内免费,目前最高提供20个量子进制运算服务,吸引众多量子计算机研究者使用。

除了这些大公司,小型企业中则以加拿大D-Wave与美国Rigetti知名度最高。

1999年创立的D-Wave,2011年推出世界上第一台商用量子计算机、128进制的D-Wave One,美国知名国防工业承承包商洛克希德·马丁公司(Lockheed Martin)还成为首名客户。

因为D-Wave在量子计算机领域进军相当早,因此采用的企业众多,如大众(Volkswagen)就用D-Wave计算与仿真北京的出租车交通流量,找出最佳的派车法则;Google进军量子计算机领域时,也曾采购D-Wave作为研究之用。

不过由于D-Wave使用的并非IBM与Google等公司采用的正统量子闸(quantum gate)技术,而是量子退火技术(quantum annealing),而且D-Wave只是一种专为解决“优化问题设计”的量子计算机,无法解决更广泛的运算问题,因此外界对于D-Wave一直抱持相当大的怀疑,例如麻省理工学院教授阿伦森(Scott Aaronson)就多次公开质疑D-Wave的性能。

而为了向外界证明自己的技术实力,D-Wave在科学期刊《自然》刊登了一篇论文,证明自身芯片拥有某些量子特性。

2015年Google的研究团队发布了一篇论文,比较D-Wave 2X量子计算机与单核心传统计算机在几个量子退火算法问题上的性能差异,结果指出“针对某些特定问题,D-Wave的速度是传统计算机的1亿倍。”因此若以广义的定义来看,D-Wave也可以视为一种量子计算机。

不过,走特殊路线的D-Wave是否比量子闸学派的IBM与Google方法更好?还有待更多应用证明。

至于创立于2013年美国量子计算机创业公司Rigetti,是由IBM的量子运算物理学家所创,除了推出量子芯片,也推出量子计算的云计算服务。

类量子运算的富士通

受到量子计算机技术的启发,日本第一大IT服务供应商富士通(Fujitsu),通过仿真量子退火的计算方式,推出使用数字退火(digital annealing)技术的芯片DAU(Digital Annealing Unit),与服务器产品。

由于富士通使用的是“类量子运算”,工研院产科国际所产业分析师刘美君指出,“若要严格算起来,其技术并不通过量子纠缠与叠加特性,还是采用传统芯片电路优势进行平行运算,并非真正的量子计算机。”

也就是说,富士通产品名称上虽和量子计算机扯上关系,但还不是量子计算机的产品,只能算在传统计算机里的超级计算机。

目前,制造量子芯片技术最主流的学派是采用“超导体材料”。超导体材料的优点在于,制造出来的量子进制执行速度快,也较容易制作出多个量子进制,实现量子纠缠,因此吸引Google与IBM等科技公司研发。

除了超导体材料,也可以采用半导体材料制造量子计算机芯片。虽然超导体材料备受关注,但全球产学界对于超导体的技术发展还不像对半导体的成熟,而且半导体和现有的主流芯片制程较为雷同,这也是为什么Intel对于半导体材料技术流派非常支持,而这个流派也与台湾的半导体产业核心能力较接近。

不过,这些技术派别都有自己的优点与缺点,并不是说一种技术方案就比另一种好,最后的发展都还很难说,还未到一个大突破的阶段。

Science

 

至于量子进制的数量,清大物理系教授牟中瑜强调,“虽然量子进制数量重要,但更重要的是品质。以现行的技术来说,必须有调试机制,才能降低错误率、提升准确度。因此,在实务操作上,一个量子进制需要3到5个,甚至上百个量子进制“备援”。所以“量子霸权”的50个量子进制,在实务操作上可能需要成千上万个量子进制,以提高量子进制的总体品质。”

此外,量子很容易受到电磁波、热辐射等外界干扰,因此技术上还必须让量子维持在量子纠缠的稳定状态,完成测量与运算的时间,这称为相干时间(Coherence Time),目前业界最好的成绩为10的负3次方秒。若相干时间太短,则无法完成有意义的计算,也很难增加正确率。

由此可知,量子计算机技术还在非常早期的阶段,各家利用不同技术发展量子计算机,也因此现阶段当企业推出量子芯片时,光是比较量子进制数并无法公正客观比较各家技术进展,必须抱着更多的怀疑心态看待这个新科技。