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霍尼韦尔宣布造出史上最强量子计算机

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近日,美国跨领域工业巨头 Honeywell 集团宣布,其量子计算研究团队已经制造出目前世界上性能最优的量子计算机,并已与微软的云量子计算服务 Azure Quantum 合作,将该设备向企业级用户开放使用,标价约为每小时一万美元。

近日,美国跨领域工业巨头 Honeywell 集团宣布,其量子计算研究团队已经制造出目前世界上性能最优的量子计算机,并已与微软的云量子计算服务 Azure Quantum 合作,将该设备向企业级用户开放使用,标价约为每小时一万美元。

霍尼韦尔量子计算机的量子体积(Quantum Volume)为 64,其功能是业界下一个替代产品的两倍。“使我们的量子计算机如此强大的是拥有最高质量的量子位和最低的错误率。” 霍尼韦尔量子解决方案公司(Honeywell Quantum Solutions)总裁 Tony Uttley 表示。

但说归说,谷歌之前还说自己实现了量子计算中,象征着碾压经典计算运算能力的量子优越性,结果后来遭到了各种质疑,甚至还被国内的阿里“纠正了错误”,而若想了解此次 Honeywell 为何敢称自己的设备为行业老大,我们首先需要了解 “量子体积” 这一概念。

如何评判量子计算的运算能力?

量子体积由 IBM 在 2017 年提出,是用于衡量量子计算设备的计算能力的一个综合指标。

在此前,甚至是直到最近,很多媒体或公司在宣传时还都是会以 “一台设备有多少量子比特” 来衡量一台设备的实际计算能力,但这其实是一种极不严谨的做法,原因是量子比特会因噪声或自身特性而退相干,也就是脱离其能正常工作的状态,而一台设备所使用的量子比特总数越多,其整体的噪声也就越高,而当退相干的量子比特达到一定数量时,计算便会崩溃。

图 | 构成量子体积的因素表(来源:IBM)

这里,我们可以用选购汽车的例子来类比,看看 “用不同标准衡量量子计算设备的计算能力” 所带来的实际效果。

一般,在我们考虑要不要买一辆车时,都会根据它的综合性能做出判断。而只通过一台量子计算设备使用了多少个量子比特来衡量该设备的计算能力,就好比是只告诉你一辆车有多少个座位,然后让你判断这辆车好不好一样,尽管是一项重要参考指标,但非常片面,不能给人一种 “全局感”。相比之下,量子体积这一概念则更像是综合了车的发动机参数、内饰参数、能乘几人、车内空间和续航能力等多方面信息,最终汇集成一个综合性指标,它能让你一下就知道这辆车究竟是好是坏。

事实上,根据 IBM 所发布的信息,其所设计的量子体积参数其实是源于一个 “量子计算深度” 的概念,由于一些源于量子物理的根本问题,量子计算机在运算时所使用的量子门不可避免地会产生运算误差,而量子计算设备能在运算误差大到运算结果丧失意义前,所能进行的最大运算量,就是量子计算机的计算深度。

当然,一台设备的量子比特数与深度值之间,存在着一种 “类反比” 的关系。如之前所提到的噪声问题,一台设备所用的量子比特越多,其系统的复杂性也就越高,其计算也就越容易出错,但由于根据可用的量子比特数,可运行量子计算的算法也会不一样,仅仅单看一台设备的计算深度其实也并不靠谱,比如一台仅有两量子比特的设备的计算深度虽然大到不行,但其能实际进行的运算却少的可怜,可以说并不具有太大的实际意义。

这也正是 IBM 提出量子体积这一概念的初衷,即整合多个用于衡量量子计算设备的计算能力的指标,用一个综合指标全面地衡量一台量子计算设备的真实运算能力,结束业内衡量标准不统一的乱象。

因此,在综合了包括 “量子比特数、容错率、量子门的并行性、相干性、量子比特间的量子态串行的可能性” 等一系列参数在内的各种指标后,IBM 提出了 “量子体积” 这一用于评估量子计算设备运算能力的综合性能值,从某种程度上重新定义了衡量量子计算运算能力的方法。比如很多情况下,如果给定量子比特的数量,研究者还可通过优化设备的其它设定,权衡每个参数每增加一点或减少一点对计算性能所带来的影响,使设备的计算性能达到最优,就好比汽车工程师在设计一款车时,是注重载客量多增加一个座位,还是注重车的速度和起步加速时间,少加一个座位,设计量子计算机的研究人员也需在各项参数之间做好平衡,才能实现其理想的最优结果,并通过量子体积这一参数直观地显示出,调整每个参数对整体运算性能所构成的影响。

图 | IBM的 20 量子比特设备的运算能力优化历程 (来源:IBM)

量子计算究竟哪家强?

在量子计算领域,Honeywell 凭借其此前在低温物理及激光设备制造上的经验,于五年前组建了一支由一百多名工程师和研究员所组成的量子计算研发团队,并一直将主要研究方向放在 “量子计算机的实际构建” 上。

如今,这台号称当今最强量子计算机的问世,显然是个里程碑。Honeywell 官方披露了它的部分构建细节。

这台量子计算机的 “主机”,是一个不锈钢球体构建的超高真空室,大约有一个篮球那么大,有可以接收激光的入口,内部是真空的,其真空度比外太空还小五倍。用液氦对该腔室进行低温冷却,以使其中的芯片离子阱系统保持在零下 263℃(绝对零度以上 10 度,比冥王星表面温度低)附近。

离子阱系统的主体是一个硅芯片,其约有四分之一表面被金子所包裹。在腔室内,电场使单个原子悬浮在离子阱上方 0.1 毫米处。科学家用激光照射这些带正电荷的原子,来进行量子操作。

同时,有很多外部设备用来控制量子计算机。控制系统必须精确地操纵数百个独立的电信号,进而在量子信息算法中以复杂的舞蹈形式移动离子(量子比特)。由于所有操作都是通过激光完成的,因此在光学平台上排列了多个光学元件,每个光学元件都指定了正确的光的颜色。所有这些基础设施占用了大约两个大光学平台(大约 5 英尺宽和 20 英尺长),这占用了很大的空间,因为真正的计算能力是由盘旋在离子阱表面上的几个原子所产生的。

根据 Honeywell 目前所提供的信息,此次推出的设备的量子体积值为 64,相比之下,IBM 目前已知的最新机器(于今年一月时公布)的量子体积值仅为 32。而谷歌虽然曾于去年秋季宣布其所研制的一台 53 量子比特的设备已经实现量子优越性,在 200 秒内就解决了一个经典计算机需花费一万年才能完成的运算,但后来“经典计算机是否真的需要花费一万年才能完成该运算”这一问题一直在业内争议不断。比如 IBM 就曾质疑谷歌低估了经典计算的运算能力,认为其在研究中测试所用那个运算问题其实可以在对运算策略进行优化,并采用先进算法(比如张量网络)的情况下,经典计算机可能仅需几天就能完成;而国内的阿里研究团队也曾于前段时间发文称,在特定条件下,经典计算仅需 20 天就能完成谷歌之前测试所用的 “那个经典计算需算一万年” 的运算问题。同时,针对另一个谷歌认为经典计算需花费约1年时间才能完成的运算,阿里的团队所开发的经典算法在对运算做出特定限制的情况下,仅用了谷歌量子计算机所用时间的一半,就完成了运算。

然而,虽然综合考量了各个因素的量子体积理论上会比单纯的量子比特数更为可靠,但也并不是所有人都认可这一衡量标准。比如在业内名誉颇佳的量子计算研究者、德州大学的 Scott Aaronson 就曾在今年 3 月时发博客称,“尽管 ‘量子体积’ 确实是往正确的方向迈出了一步(在整合标准的意义上),但我并不认为它能真实地体现一台量子计算设备的实际运算能力。要知道,我们离所谓的‘量子优越性其实还差得很远,虽然统一衡量标准很重要,但这并不足以帮我们解决实际问题。’”

从理论走向现实

长久以来,量子计算机一直被人们赋予着“能解决那些我们当前无法解决的问题”的期许,如交通和气候变化问题,而就目前看来,虽然仍有争议,但 Honeywell此次所推出的设备或确实能被称作是目前业内能力最强的“通用型”量子计算机。

早在今年 5 月,摩根大通的研发主管 Marco Pistoia 就曾表示,“摩根大通期待与 Honeywell 在信用风险评级和欺诈侦测算法上的合作”,并称 “摩根大通十分看好此次与 Honeywell 合作并使用 Honeywell 所研发的量子计算设备的机会。”

除了摩根大通,Honeywell 称还有其它许多公司也对在云端租赁其设备抱有很大兴趣,但尚未透露这些公司的名称。

对未来的进展,Honeywell 也是雄心勃勃,预计其所研发的量子计算设备将在未来 5 年内,每年都能将量子体积提升 10 倍,并称公司正将量子计算从理论带入现实,逐渐将量子计算真正用于解决实际问题。

对此,IBM 的发言人 Steve Tomasco 表示,IBM 也将于今年年内推出一台量子体积为 64 的量子计算设备,并称 “IBM 很高兴业内承认 ‘量子体积’ 这一标准的群体正在逐渐扩大。” 而谷歌则还未对 Honeywell 此次所取得的进展做出任何回应。

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