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量子计算战争一场国家实力和技术路线的双重 [复制链接]

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雷锋网按:在人类计算技术的飞速发展中,量子计算越来越受到重视。实际上,它不仅仅是相关企业保持其核心竞争力和前沿技术能力的重要领域,也是国家之间相互竞争的重要科技领地;目前在这个领域已经出现了不少选手,它们都实力强劲,且选择了不同的技术路线,形成了蔚为大观的"量子计算战争"。围绕这一话题,外媒作者MARKLAPEDUS进行了全面而深入的解读,雷锋网对本文进行了不改变原意的编译。

量子计算正在升温,越来越多的企业竞相对量子计算技术进行基准测试、巩固,意在将其商业化。

截至年7月,一个来自中国的团队在原始性能方面似乎已经处于领先地位,谷歌、IBM、英特尔和其他量子计算机开发商也不甘落后,且已经研发出第一波量子计算机。

不过,所有这些都可能在一夜之间改变,这些系统仍处于发展初期,尚未运行任何有用的商业应用——宣布量子计算的赢家,还为时过早。

了不起的量子计算

到目前为止,量子计算确实取得了显著进展,并同超级计算机区分开来。

在经典计算中,信息以位存储,可以是“0”或“1”。在量子计算中,信息存储在量子位或量子比特(Quantumbits,orQubits)中,可以以“0”或“1”或两者的组合形式存在,叠加态使量子计算机能够一次执行多项计算,使其性能优于传统系统。

不过这项技术面临着许多挑战,许多行业专家认为:这些系统距离实用还有十年的时间。

然而,这并没有让公司、*府、研发组织和大学放弃相关技术的研发,它们依旧向这个领域投入数十亿美元。如果这些技术得以实现,可以加速新化学、药物和材料的开发,还可以破解任何加密系统,能够为公司和国家提供竞争优势。

因此,研发量子计算技术成为许多国家科技发展的重中之重。

“量子计算处于国家计划的前沿,”FormFactor高级副总裁AmyLong说。“这一领域已经宣布了超过亿美元的投资,涉及15个国家或地区。像美国和中国这样的地缘*治强国,肯定在争夺量子霸权的竞赛中处于领先地位,其次是来自欧洲和亚洲的许多其他国家。”

中国科学技术大学(USTC)于年6月取得了重大进展,展示了研究人员声称的世界上最快的量子计算处理器,超过了自年以来谷歌53量子位设备保持的非官方记录。中国科技大学的66-量子位处理器在1.2小时内完成了一项复杂的计算——如果采用如今的超级计算机,这项计算需要8年才能完成。

“当我查看第一批应用时,我意识到我们需要数千个甚至十万个量子位来做一些有用的事情。”英特尔量子硬件总监詹姆斯克拉克(JamsClark)说:“我们今天达到了50到60个量子位,还需要更多时间才能达到万个量子比特——而这对于密码学来说,是非常必要的。”

与此同时,量子技术还有多个分支阵营。

实际上,厂商们正在开发基于一系列技术的十几种量子位,例如超导(Suprconductingqubits)、离子阱(Iontraps)和硅自旋(Siliconqubits),每个阵营的厂商都声称它们的技术是卓越的,并将实现实用的量子计算机。

根据HyprionRsarch的数据,量子计算机的市场预计将从年的3.2亿美元增长到年的8.3亿美元。

超越经典计算但无法替代

从历史的发展进程来看,计算领域取得了巨大进步。

年,宾夕法尼亚大学开发出第一台通用电子数字计算机ENIAC,它使用真空管控制电子来处理数据,每秒可执行次加法计算。

年,晶体管的出现改变了一切;从20世纪50年代开始,晶体管取代了许多系统中的真空管,计算机速度更快。

年,现已解散的ControlData公司推出了CDC,这是世界上第一台超级计算机——CDC以晶体管为基础,集成了一个具有2MIPS(MillionInstructionsPrScond)性能的60位处理器。

发展到今天,智能手机比早期的计算机更快。以iPhon12为例,它采用了基于台积电5nm工艺的A14处理器,A14包含亿个晶体管,具有6核CPU和16核神经引擎,每秒可进行11万亿次操作。

在高性能计算方面,来自日本的富岳(Fugaku)超级计算机在年保持了其作为世界上最快超级计算机的地位。富岳由日本理化研究所(Rikn)和日本信息通信技术企业富士通(Fujitsu)构建,它采用基于Arm架构的A64FX处理器,拥有个内核,可实现每秒ptaflops(ptaflop即每秒执行1千万亿次浮点运算)的性能。

目前,富岳正处于运行状态,并被用于各种研究项目。“富岳首次使用了在大型服务器的通用CPU中所应用的技术,例如7nm工艺技术、封装集成HBM2、TB级流媒体功能和片上嵌入式高性能网络,”Rikn计算科学中心主任SatoshiMatsuoka在年VLSI技术和电路研讨会上的一篇论文中写道。

“我们已经进入千万亿次浮点运算的时代,”美国光刻工具公司D2S首席执行官AkiFujimura说。“全球有许多研究计算机正在接近百亿亿次计算(0ptaflops)。十年之后,我们将拥有许多百亿亿浮点运算级别的计算机。”

事实上,业界需要更多的计算能力来解决生物技术、国防、材料科学、医学、物理学和天气预报方面当前和未来的问题。

“我们需要以相同的价格提供更强的计算能力,需要解决的问题越来越难,我们在服务上面临的问题也越来越多,”Fujimura说。

当然,在传统计算持续进步的同时,业界也积极发展量子计算——理论上,这些基于量子计算的新系统有望超越当今的超级计算机,从而加速新技术的发展。

在遥远的未来,量子计算机有望在合理的时间内破解世界上最复杂的算法,包括Shor这一用于整数分解问题的算法,以及可用于破解广泛使用的公钥加密方案RSA。

量子计算最早诞生于年代,多年来取得了一些重大进展:最近,有两个系统实现了“量子霸权”,这意味着量子计算机可以做经典计算机不能做的一些事情。

尽管如此,量子计算仍处于起步阶段,一方面量子计算系统在不断进化,另一方面,人们也在不断寻求利用量子计算系统找到对应的应用领域。IBM量子硬件系统开发总监JrryChow说:

当今存在的所有系统主要用于探索未来的量子应用,包括用于量子化学的变分量子算法,以及用于机器学习的量子核估计方法。从基准测试和自身性能表征的角度来看,今天部署的系统也很有趣,并且能够理解潜在的噪声源,以改进这些系统的未来迭代。另一方面是探索量子纠错的概念。

不过值得注意的是,即使量子计算机释放了潜力,它们也不会取代今天的计算机。“对于某些类型的计算问题,量子计算显然是一项重要的未来技术。素数分解是众所周知的另一项量子计算远优于经典计算的运算,”D2S的Fujimura说。“在某种程度上,量子计算是经典计算的增强版。在更大范围内,量子计算不会取代经典计算,经典计算更适合我们需要计算的许多任务。”

今天的量子计算机与众不同,类似于巨大的枝形吊灯;这些系统安装在稀释冰箱中,能够保护处理器和其他部件免受外部噪音和热量的影响。该装置将设备冷却到10至15毫开尔文之间。

IBM的QuantumSystmOn系列量子计算机,图片源自IBM

量子处理器就是一个量子系统,该处理器包含一些量子位。这些量子位有两种配置,一个量子位门和两个量子位门。假设有一个具有16个量子位的量子处理器,量子位排列在二维4X4阵列中。前三行(从上到下)可能由一个量子位门组成,最后一行可能有两个量子位门。

在经典计算中,将一个数字输入计算机,经过计算函数就会有一个数字输出。但在量子计算机中,处理功能十分复杂。

研究人员在英特尔实验室调整稀释冰箱,图片源自英特尔

“如果你有n位,你就有2的n次方的数据量。这是数量呈指数级增长的状态,一次只能处理一个状态。因此,它是指数时间或空间指数,”麻省理工学院(MIT)教授威廉奥利弗在视频演示中解释道。“另一方面,量子计算机可以将这2的n次方个不同的组件同时放入一个叠加态。这就是我们在量子计算机中看到的指数级加速的基础。”

量子计算机还有其他优点。“为了使量子计算机的能力加倍,你只需要增加一个量子比特。它是指数级的。为了让量子计算机在摩尔定律方面跟上经典计算机,他们只需要每24个月增加一个量子比特,”MoorInsightsStratgy的分析师PaulSmith-Goodson说。

不过,上述情况都处于理想状态下;实际操作中,存在一些阻碍量子计算发挥其全部潜力的因素。

据IBM称,由于噪声,量子比特通常会在微秒内失去其特性。这就是为什么量子比特必须在极冷的环境中运行。“量子比特对它们的环境非常敏感,”美国晶圆探针公司FormFactor的Long说。“在非常寒冷或低温的环境中使量子比特环境安静是至关重要的。”

此外,噪声还会导致量子比特出错,正因如此,量子计算机需要纠错。

最重要的是,业界需要扩展具有数千个量子比特的量子计算机,目前的状态与这个数字相差甚远。

总而言之,量子计算需要一些突破。“对于整个领域,我们需要让量子比特比我们今天制造的更好,”英特尔的克拉克说。“对我来说,最大的挑战是如何连接它们。每个量子比特都需要自己的电线和控制箱。在50或60个量子比特状态下,有效控制较容易,但数量达到一百万个时,就不能很好地工作。”

制造高良率的量子比特也很关键,OntoInnovation和其他公司正在围绕该技术开发计量控制系统。

“现在,我们已经对一些晶圆或试样进行了测量,"Onto高级副总裁KvinHidrich表示:“量子领域大多数基础技术背后的关键是利用为经典计算开发的制造技术。然而,许多人正在调整设备、设计和集成,以启用量子/量子位设备。我们的主要工作是使精确和特征化的设备能够实现各种形式的量子计算,例如光子或自旋量子位。我们的重点是提供计量解决方案,使我们的开发合作伙伴能够最好地描述其早期设备的特性,包括精确的侧壁控制、材料厚度和接口质量等。”

超导量子比特进展最大,中国科学技术大学领跑

根据《量子计算报告》(thQuantumComputingRport),如今有98个单位在研究量子计算机或量子位,其中,企业正在开发的量子位类型包括离子阱(Iontrap)、中性原子(NutralAtoms)、光子学(photonics)、硅自旋(SiliconSpin)、超导和拓扑(topological)。

值得一提的是,以上每种类型都有各自的优点和缺点,现在比较哪种技术更好,还为时过早。

“我们真的不知道哪种技术将成为构建大规模容错机器计划的正确技术。一些公司有五年路线图,可以让他们拥有足够的量子位来做一些真正有意义的事情。”来自分析机构MoorInsightsStratgy的SmithGoodson说:“在安装基数上,IBM拥有大量机器,它有超过20台的量子计算机,且没有人能与之匹敌。它围绕着这些量子计算机建立了一个庞大的生态系统,很多大学与公司都与其进行合作。”

到目前为止,超导量子位取得的进展最大。在这一类别中,D-Wav公司通过使用量子退火(quantumannaling,一种解决优化问题的技术)获得了

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