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谁能先造出世界最好量子计算机?IBM与谷歌展开量子大战

编者按:本文来自企鹅号:硅谷封面(ID:16636714)

谁能先造出世界最好量子计算机?IBM与谷歌展开量子大战

【划重点】

  • 谷歌与IBM正展开针锋相对的较量,看谁能首先造出世界上最好的量子计算机。两家公司采用了截然不同的策略,谷歌希望实现“量子霸权”,而IBM追求“量子优势”。

  • 2019年10月底,谷歌宣布其名为Sycamore的芯片已经成功实现“量子霸权”,即通过在传统电脑上几乎不可能执行的任务来展示量子计算机的优势。

  • IBM认为,“量子优势”才是量子计算的未来,谷歌采用的策略有误导公众之嫌。

  • 按照目前的进展来看,谷歌似乎占据了上风,但IBM正通过将量子计算机与云计算技术相结合的方式,加速实现所谓的“量子优势”。

  • 要想获得最终胜利,谷歌和IBM不仅要努力增加提高量子计算机性能的量子比特数量,还要利用各自的优势克服面临的各种挑战。

自美国加州理工学院物理学家约翰·普雷斯基尔(John Preskill)于2012年提出了“量子霸权”的概念以来,谷歌、IBM、英特尔、微软、亚马逊以及诸多初创公司就开始加大对量子计算的投资和研发,该领域的竞争也变得日益激烈。目前,谷歌和IBM毫无疑问处于领先地位。IBM是大型机和超级计算机领域无可争议的霸主,而谷歌在去年10月份宣称实现了“量子霸权”。如今,两家公司正展开针锋相对的较量,看谁能首先造出世界上最好、具有实用意义的量子计算机。双方采用了不同的解决方案,同时也面临着许多共同和各自需要克服的挑战,那么它们最终谁能在这场竞争中胜出?

谁能先造出世界最好量子计算机?IBM与谷歌展开量子大战

以下为文章正文:

谷歌最先进的电脑不在该公司位于美国加州山景城的总部内,也不在狂热蔓延的硅谷的任何地方。从圣芭芭拉往南驱车几个小时,你就会来到一个表面上显得平白无奇的办公园区,这里入驻的大多也是你从未听说过的科技公司。

在这个园区的一间开放式办公室里,有几十张办公桌,还有室内自行车架和指定的“冲浪板停车场”,冲浪板放在从墙上伸出的支架上。宽大的双扇门通向一个宽敞教室大小的实验室,在那里的计算机机架和杂乱的仪器中,有些圆柱形、比油桶稍大的容器悬挂在减震装置上,就像巨大的钢蛹。

其中的一个圆柱形容器外壳已经被移除,露出了里面由钢和黄铜组成的多层次、错综复杂的内部结构,它被称为“枝形吊灯”。这基本上就是台超级冰箱,越往下层温度越低。在底部,保持在绝对零度以上、大约只有头发宽度大小的真空中,可以用肉眼看到类似普通硅片的东西。但它上面没有蚀刻晶体管,而是由微小的超导电路构成。在这种低温下,这些电路的表现就好像它们是遵守量子物理定律的单个原子。它们就是所谓的量子比特,即量子计算机的基本存储单元。

2019年10月底,谷歌宣布,该公司利用名为Sycamore的芯片,通过执行在传统计算机上几乎不可能完成的任务,首次实现了“量子霸权”(quantum supremacy)。根据谷歌的说法,用53个量子比特,Sycamore在几分钟内完成了一项计算,而这项任务需要世界上现存最强大的超级计算机Summit计算1万年时间。

谷歌宣称这是个重大突破,甚至将它与苏联发射首颗人造卫星或莱特兄弟进行首次飞行相提并论,并称掀开了新机器时代的序幕,它将使当今最强大的计算机看起来像过时的算盘。

谁能先造出世界最好量子计算机?IBM与谷歌展开量子大战

在圣巴巴拉实验室举行的新闻发布会上,谷歌团队愉快地回答了记者的提问,问答环节持续了近三个小时。但他们的幽默掩饰不了内心的紧张。因为就在两天前,谷歌在量子计算领域的主要竞争对手IBM的研究人员破坏了它的重大发现。他们发表了一篇论文,指责谷歌给出了错误计算。IBM认为,Summit只需要几天时间就可以复制Sycamore的成就,而不需要上万年。当被问及对IBM的质疑有何看法时,谷歌团队负责人哈特穆特 尼文(Hartmut Neven)刻意回避了直接回答。

你可以认为这只是一场学术争论,从某种意义上说也确实如此。即使IBM的怀疑是对的,Sycamore的计算速度仍然比Summit快1000倍。也许仅仅几个月后,谷歌就会造出体型稍大的量子计算机,向怀疑者证明自己。然而,IBM更深层的反对意见并不是谷歌的实验没有宣称的那么成功,而是它首先就是个毫无意义的测试。

与大多数量子计算领域不同,IBM并不认为“量子霸权”是该技术领域的莱特兄弟时刻。事实上,IBM甚至不相信会有这样的时刻。相反,IBM追求的是一种完全不同的成功衡量标准,即所谓的“量子优势”(quantum advantage)。

这不仅仅是措辞上的不同,甚至也不是科学上的分歧,而是在哲学立场上的对立,它植根于IBM的历史、文化和雄心壮志中。也许还有这样一个事实,即八年来,IBM的收入和利润始终在下降,而谷歌及其母公司Alphabet的营收数字却在增长。在这样的背景下,以及各自设定的不同目标,可能会影响双方在量子计算竞赛中究竟哪一方会胜出。

规模宏大的实验

量子计算机的基本构件就是量子比特。在传统计算机中,一个普通比特只能存储0或1,而量子比特不仅可以存储0或1,还可以存储介于两者之间、被称为“叠加”的状态,这可以假设许多不同的值。这里我们可以类比下,如果信息是彩色的,那么普通比特可以是黑色的,也可以是白色的。而当量子比特处于叠加状态时,它可以是光谱上的任何颜色,也可以是亮度不同的颜色。

结果是,与普通比特相比,一个量子比特可以存储和处理大量的信息,而且当你把量子比特连接在一起时,容量会成倍增长。在谷歌Sycamore芯片上以53个量子比特来存储所有的信息,将需要大约72PB(720亿GB)的传统计算机内存。不需要太多的量子比特,其计算和存储能力就可以与星球大小的传统计算机相媲美。

谁能先造出世界最好量子计算机?IBM与谷歌展开量子大战

当然,量子比特并非没有缺点。由于量子比特脆弱且易受干扰,因此必须与热量、振动和杂散的原子完全隔离,因此才有了谷歌量子实验室里的“枝形吊灯”冰箱。即便如此,它们最多也只能工作几百微秒,然后就会“退化”(decohere),失去叠加状态。

量子计算机并不总是比传统计算机快。它们只是有所不同的机器,有的更快,有的更慢,并且需要不同种类的软件。为了比较它们的性能,你必须编写一个近似模拟量子计算机的经典程序。

在实验中,谷歌选择了一个叫做“随机量子电路采样”的基准测试。它产生了数百万个随机数字,但带有轻微的统计偏差,而这正是量子算法的特点。如果Sycamore是个袖珍计算器,它就相当于随机按下按钮,然后检查显示器是否显示了预期的结果。

谷歌在它自己的大型服务器场和世界上最大的超级计算机Summit(位于橡树岭国家实验室)上模拟了部分过程。研究人员估计,完成整项耗时200秒的计算工作,将花费Summit大约1万年的时间。瞧,这就是“量子霸权”。

那么IBM反对的是什么呢基本上,让传统计算机模拟量子计算机有不同的方法,你编写的软件,你分割和存储数据的方式,以及你使用的硬件都会对模拟运行的速度产生很大影响。IBM表示,谷歌假定模拟需要被分割成许多块,但拥有280PB存储空间的Summit足以同时保存完整的Sycamore状态。IBM建造了Summit,所以它对此非常了解。

在最基本的层面上,传统计算机中的软件是一系列逻辑门,如NOT、OR和NAND,它们改变比特的内容(0或1)。同样,量子软件由作用于量子比特的一系列逻辑门组成,但它有一组更大、更奇特的门,它们的名字分别是SWAP(交换周围两个量子比特的值)、Pauli-X(翻转量子比特的值的NOT门量子版本,)和Hadamard(将量子比特从0或1转换为0和1的叠加状态)。到目前为止,还没有像C++或Java这样的高级语言的量子编程语言,但谷歌和IBM都创建了图形界面,这让使用GATES进行编程变得容易。

量子比特存储信息的方式就像筛子存储水一样,即使是最稳定的量子态也会在几百微秒内“退化”,或者从脆弱的量子态跌落。甚至在那之前,错误就开始堆积。这意味着一台量子计算机只能做固定量的计算,然后就会慢慢停下来。谷歌的更大芯片在30到40微秒后“退化”,足够它们运行40个量子逻辑门序列。IBM的芯片可达500微秒,但它们处理逻辑门的速度也更慢。

截然不同的理念

IBM位于纽约市北部郊区的托马斯-沃森研究中心(Thomas J. Watson Research Center)曲线优美,轮廓分明,它是芬兰建筑师埃罗·沙里宁(Eero Saarinen)的新未来主义杰作,但它与谷歌团队毫不起眼的挖掘工作相去甚远,两者甚至有着天壤之别。这栋建筑于1961年完工,当时大型机为IBM带来大量财富,使它具有博物馆般的品质,提醒每个在里面工作的人,公司在从分形几何到超导体再到AI和量子计算的各个领域都取得了突破。

这个拥有4000人的研究部门的负责人是西班牙人达里奥·吉尔(Dario Gil),他讲话的语速很快,总是能让人感受到其澎湃的激情。每次与他交谈时,他都会滔滔不绝地讲述许多历史里程碑,意在强调IBM参与量子计算相关研究的时间已经足够漫长。

但在过去的几十年里,IBM在努力将其研究项目转化为商业成功方面却不尽如人意。以最近的超级计算机Watson为例,IBM试图将其转变为机器人医学大师。它的目的是提供诊断和识别海量医疗数据的趋势,但尽管与医疗服务提供商建立了数十个合作伙伴关系,却很少有商业应用。即使出现了一些商业应用,也产生了好坏参半的结果。

按照吉尔的说法,量子计算团队正试图通过同时进行研究和业务开发来打破这种循环。几乎在量子计算机投入使用后,该公司就开始把它们放到云上,让外界可以访问它们。在云端,它们可以通过一个简单的、在web浏览器上运行的拖放界面进行编程。

2016年推出的“IBM Q体验”(IBM Q Experience)现在包括15台公开可用的量子计算机,大小从5个量子比特到53个量子比特不等。每月约有12000人使用它们,包括学术研究人员、学生等不同人群。在小型机器上的时间是免费的,但IBM表示,已经有100多家客户为使用更大的量子计算机付费。

除了谷歌的Sycamore之外,这些设备或者世界上任何其他的量子计算机都还没有显示出它们可以在任何方面打败传统计算机的能力。对IBM来说,这不是现在的重点。让这些机器在网上可用,可以让该公司了解未来的客户可能需要什么,并允许外部软件开发人员学习如何为他们编写代码。这反过来又促进了它们的发展,使后来的量子计算机变得更好。

该公司认为,这个周期是通向所谓“量子优势”的最快路径。将来,量子计算机不一定会把传统计算机远远甩在后面,但会以更快或更高效的方式做些有用的事情,这足以让它们在经济上产生足够高的价值。尽管“量子霸权”是单一的里程碑,但IBM认为,“量子优势”是“连续性的里程碑”,是个逐渐扩大的可能性世界。

这就是吉尔关于IBM的大统一理论:通过结合它的传统、技术专长、其他人的智力以及其对商业客户的奉献,该公司可以比任何人更快、更好地构建有用的量子计算机。

美国德克萨斯大学奥斯汀分校物理学家斯科特·亚伦森(Scott Aaronson)说,从这种观点来看,IBM认为谷歌的“量子霸权”演示只是“室内把戏”。在最好的情况下,这只是一种从真正需要进行的工作中转移注意力的浮华现象。在最坏的情况下,这甚至是一种误导,因为它可能会让人们认为量子计算机可以在任何事情上击败传统计算机,而不是局限于非常狭隘的任务上。吉尔说,对于“霸权”这个词儿,公众很可能产生误解。当然,谷歌对此的看法截然不同。

谷歌的量子研究历程

谷歌在2006年第一次开始研究量子问题时,还是刚刚成立8年的初创公司,它直到2012年才成立了专门的量子实验室。同年,美国加州理工学院的物理学家约翰·普雷斯基尔(John Preskill)创造了“量子霸权”这个术语。

谁能先造出世界最好量子计算机?IBM与谷歌展开量子大战

谷歌用于实现“量子霸权”的设备

谷歌量子实验室的负责人是哈特穆特·尼文(Hartmut Neven),他是一名德国计算机科学家,以严厉著称,喜欢“火人节”式的时装,有时候他会穿着毛茸茸的蓝色外套,甚至穿着全银色的服装,让他看起来像个邋遢的宇航员。

起初,尼文购买了外部公司D-Wave制造的机器,并花了一段时间试图在其上实现“量子霸权”,但没有成功。他说,2014年,他说服时任谷歌首席执行官的拉里·佩奇(Larry Page)投资建造量子计算机,并承诺谷歌将接受普雷斯基尔的挑战。奈文回忆称:“我们告诉佩奇,三年后我们会回来,在你的桌子上放上原型芯片,至少可以计算传统计算机无法处理的问题。”

由于缺乏IBM的量子专业知识,谷歌从外部聘请了一个团队,由加州大学圣巴巴拉分校物理学家约翰·马提尼斯(John Martinis)领导。马提尼斯和他的团队已经是世界上最好的量子计算机制造团队之一,他们成功地将9个量子比特串在一起,而尼文对佩奇的承诺似乎是他们值得追求的目标。

三年的最后期限延迟了数次,马提尼斯的团队努力研发一个足够大、足够稳定的芯片来迎接挑战。2018年谷歌发布了迄今为止最大的处理器Bristlecone。它拥有72个量子比特,远远领先于竞争对手的任何产品。马提尼斯预测,它将在同一年实现“量子霸权”。但团队中有几个人一直在并行地研究另一种名为Sycamore的芯片架构,这种架构最终证明可以用更少的量子比特做更多的事情。因此,这种有53个量子比特的芯片最终在去年秋天证明了它的优越性。

实际上,在那个演示中使用的程序根本没有任何用途。它生成随机数字,这不需要量子计算机也能做到。但是,它以一种传统计算机很难复制的特殊方式生成它们,从而建立了概念证明。

询问IBM员工他们对这一成就有何看法,你会露出痛苦的表情。IBM量子团队负责人、说话谨慎的澳大利亚人杰伊 甘贝塔(Jay Gambetta)说:“我不喜欢‘量子霸权’这个词,也不喜欢它的含义。”他说,问题在于,几乎不可能预测任何给定的量子计算对传统机器来说是否困难,所以在一种情况下展示它并不能帮助你证明其在其他情况下是否适用。

许多IBM以外的人认为,该公司这种拒绝将“量子霸权”视为重大成就的做法近乎固执。尼文说:“任何想要获得商业利益的人,都必须首先展示自己的优势。我认为这只是基本的逻辑。”即使是这场争论最公正的观察者、麻省理工学院物理学家威尔·奥利弗(Will Oliver)也说“在某些任务上,无论什么任务,量子计算机的表现都优于传统计算机,这是一个非常重要的里程碑。”

量子飞跃

奥利弗说,不管你是同意谷歌的立场还是IBM的立场,下一个目标都是明确的,也就是建立可以做些有用事情的量子计算机。人们希望,这些机器有一天能够解决更多问题,这些问题现在需要更强大的计算能力,比如模拟复杂分子以帮助发现新药和新材料,或者实时优化城市交通流量以减少拥堵,或者进行长期的天气预报。

谁能先造出世界最好量子计算机?IBM与谷歌展开量子大战

IBM的电路组合器

问题是,我们几乎不可能预测量子计算机第一个有用的任务是什么,或者需要多大的计算机来执行它。这种不确定性与硬件和软件有关。在硬件方面,谷歌认为它目前的芯片设计可以容纳100到1000个量子比特。然而,就像汽车的性能不仅仅取决于引擎的大小一样,量子计算机的性能也不仅仅取决于量子比特的数量。还有很多其他的因素需要考虑,包括“退化”需要多长时间,出错的可能性有多大,运行的速度有多快,以及它们之间是如何相互联系的。这意味着今天运行的任何量子计算机都只能发挥其全部潜力的一小部分。

与此同时,用于量子计算机的软件就像机器本身一样,还处于起步阶段。在传统计算中,编程语言现在已经从早期软件开发人员必须使用的原始“机器代码”相差了几个层次,因为数据如何存储、处理和转移的细节已经标准化了。谷歌团队的软件负责人戴夫·培根(Dave Bacon)说:“在传统计算机上,当你给它编程时,你不必知道晶体管是如何工作的。”

而在另一方面,量子代码必须高度定制,以适应它所运行的量子比特,以便最大限度地发挥它们无法预测的性能。这意味着IBM芯片的代码不能在其他公司的芯片上运行,即使是优化谷歌53量子位Sycamore的技术,也不一定会在未来的100量子比特机器上运行得很好。更重要的是,这意味着没有人能够预测这100个量子比特能够解决的问题有多困难。

人们最大胆的希望是,在未来几年内,拥有几百个量子比特的计算机将被用来模拟一些中等复杂的化学过程,这甚至可能足以推动对新药或更高效电池的研究。然而,“退化”和错误累计将使所有这些机器在它们能够做任何真正困难的事情(如破坏密码学)之前停止工作。

这将需要一台“容错”量子计算机,它可以纠正错误,并像传统计算机一样无限期地运行。预期的解决方案将是创建冗余,即使数百个量子比特在共享量子态中作为一个量子比特运行。总的来说,它们可以纠正单个量子比特的错误。当每个量子比特“退化”时,它的邻居们就会把它带回来,继续参与到永不结束的相互复苏的循环中。

大多数人预测,需要多达1000个相连的量子比特才能达到这种稳定性,也就是说,要制造出一台拥有1000个量子比特能力的电脑,你实际上需要容纳100万个量子比特。尼文说,谷歌“保守地”估计,它可以在10年内构建拥有100万个量子比特的处理器,尽管有些重大的技术障碍需要克服,其中包括IBM可能仍有超越谷歌的优势。

到那时,很多事情可能已经改变了。目前谷歌和IBM使用的超导量子比特可能被证明是他们那个时代的真空管,被更稳定可靠的东西所取代。世界各地的研究人员都在试验各种制造量子比特的方法,虽然很少有先进到足以制造出可以工作的电脑的水平。Rigetti、IonQ或Quantum Circuit等竞争对手可能会在某项特定技术上发挥优势,超越更大的公司。

采用不同解决方案

谷歌和IBM使用的超导量子比特几乎是相同的,只有一个细微但可能至关重要的区别。在谷歌和IBM的量子计算机中,量子比特本身都是由微波脉冲控制的。微小的制造缺陷意味着,没有两个量子比特会对频率完全相同的脉冲做出响应。对此有两种解决方案:1)改变脉冲的频率,找到每个量子比特的最佳位置,就像努力抖动严重损毁的钥匙直到它打开锁。2)利用磁场将每个量子比特“调”到正确的频率。

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IBM使用了第一种方法,谷歌则采用第二方案。每种方法都有优缺点:谷歌的可调量子比特工作得更快、更精确,但它们不太稳定,需要更多的电路。IBM的固定频率量子比特更稳定、更简单,但运行速度更慢。从技术角度来看,至少在目前这个阶段,这几乎是一场胜负难分的比赛。然而,就企业理念而言,这是谷歌和IBM之间的不同之处。或者更确切地说,这就是量子比特的特性。

谷歌选择了变得更灵活。尼文说:“总的来说,我们的理念更倾向于提高可控性,而不是牺牲人们通常寻找的数字。”另一方面,IBM选择了可靠性。吉尔说:“做一个局限于实验室的实验和发表一篇论文,与建立一个可靠性高达98%的系统,而且可以一直运行,这两者之间有着巨大的区别。”

现在,谷歌占据了优势。不过,随着机器变得更大,优势可能会转向IBM。每个量子比特由它自己单独的导线控制,可调量子比特需要一根额外的导线。弄清楚数千或数百万量子比特的线路将是两家公司面临的最艰巨技术挑战之一。IBM表示,这是他们采用固定频率量子比特的原因之一。谷歌团队的负责人马提尼斯说,过去三年里,他个人一直在努力寻找布线解决方案。他开玩笑说“这是一个如此重要的问题,我为此付出了努力。”

新的摩尔定律

IBM没有计算量子比特数量,而是追踪它所称的“量子体积”(quantum volume),这是一种测量计算机实际能处理的复杂程度的方法。它的目标是使这项衡量标准每年翻一番,这是著名“摩尔定律”的量子版本,IBM将其命名为甘贝塔定律”(Gambetta‘s Law),以其首席量子理论家杰伊·甘贝塔(Jay Gambetta)的名字命名。到目前为止,这个定律已经保持住了三年。这和戈登·摩尔(Gordon Moore)在1965年提出摩尔定律时的情况差不多。

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IBM采用所谓的“量子体积”作为衡量计算机处理能力的标准

但考虑到它们的规模和巨额财富,谷歌和IBM都有机会成为量子计算业务的重要参与者。企业将租用它们的机器来解决问题,就像它们目前从亚马逊、谷歌、IBM或微软租用基于云计算技术的数据存储和处理能力一样。物理学家和计算机科学家之间的战争将演变成商业服务部门和营销部门之间的竞争。

那么,哪家公司最有可能赢得这场比赛随着收入的下降,IBM可能比谷歌更有紧迫感。该公司从痛苦的经历中知道了缓慢进入市场需要付出的代价:去年夏天,IBM斥资340亿美元收购了开源云服务提供商红帽(Red Hat),这是它有史以来最昂贵的一笔收购,目的是在该领域赶上亚马逊和微软,扭转其财务命运。IBM将量子机器放到云端并从一开始就建立付费业务的战略,似乎是为了让它有个良好的开端。

谷歌最近开始效仿IBM的战略,其商业客户现在包括美国能源部、大众和戴姆勒。马提尼斯说,谷歌没有更早这么做的原因很简单“我们没有把它放到云端的资源。但这可能还有另一种说法,即它不必优先考虑业务发展。

这一决定是否会给IBM带来优势还很难说,但更重要的可能是这两家公司在未来几年将如何运用其他优势来解决当前挑战。吉尔表示,IBM将受益于其在从材料科学、芯片制造到服务大企业客户等各个领域的“全套”专业知识。另一方面,谷歌拥有硅谷式的创新文化和大量快速扩张业务的实践。

至于“量子霸权”本身,它将是一个重要的历史时刻,但这并不意味着它将是个决定性的时刻。毕竟,每个人都知道莱特兄弟的第一次飞行,但谁能记得他们后来做了什么?(金鹿)

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