Google高调宣传量子运算领域成果 IBM、Intel随后做出吐槽

1. Google高调宣传量子运算领域成果 IBM、Intel随后做出吐槽

 Google公布其在量子运算领域发展成果论文，强调在量子运算发展达成全新里程碑，但后续被IBM批评在演算法上充分发挥量子电脑潜能，同时强调本身打造的超级电脑Summit即可在两天半时间内完成Google量子电脑的所有运算，Intel也强调在量子运算发展过程里，其实还有更多需要解决项目，例如如何创造更高量子位、运演算法如何完整匹配量子运算流程等。
  Google稍早在科学期刊《自然(Nature)》公布其在量子运算领域发展成果论文，说明借由名为Sycamore、具备54个量子位的自主打造量子处理器，在短短200秒内完成当今最快超级电脑必须花费1万年执行的运算量。
  实际上，Google此份论文早期版本已经在今年9月就已经透过美国太空总署网站公布，但Google直到近期才正式对外宣布此项成就，并且强调在量子运算发展达成全新里程碑。
  但在Google对外发表此项里程碑成就之后，立即遭到同样在量子运算有高度发展的IBM批评，认为Google并未在演演算法上充分发挥量子电脑潜能，同时也强调本身打造的超级电脑Summit即可在两天半时间内完成所有运算。
  言下之意，IBM显然暗示其量子电脑技术将会有更好发挥。
   
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  除了IBM，同样在量子运算有大量投入的Intel同样也趁机说话，强调量子运算瞄准的是长程马拉松赛跑，而非短程冲刺，似乎批评Google在取得一些成就之后，便以获取量子霸权(quantumsupremacy)自满，强调在量子运算发展过程里，其实还有更多需要解决项目，例如如何创造更高量子位、运演算法如何完整匹配量子运算流程等。
  目前包含Google、IBM与Intel均在量子运算领域进行竞争，期望借由量子运算方式对应规模更为庞大的数据分析运算需求，并且应用在各个超算领域。
  不过，如同IBM说明，量子电脑未来并不会取代既有超级电脑，甚至也不会取代原本电脑运算模式，而会是以并行方式满足不同运算需求，毕竟量子电脑可以在短时间完成大规模计算，但如过要进一步深入精算的话，其实依然必须配合超级电脑协助运算。
  而对于IBM的批评，Google执行长SundarPichai则是以发明飞机的莱特兄弟为例，说明第一次的飞行实验其实仅维持12秒，并未达成任何实质效益，却证明后来的飞机设计理念确实可行。
   

2. 先进的容错量子计算机，可能取代谷歌和IBM的量子计算机原型

约翰·霍普金斯大学科学家现发表在《物理评论快报》期刊上的一项新研究中报告称：先进的容错量子计算机可能比科学家预测的更接近普及。研究人员以他们之前的研究为基础，寻找被称为具有自旋三重态配对的超导体基本材料块，这种材料被认为是非常罕见的。自旋三重态配对的罕见性质可以产生一种名为马约拉纳费米子（Majorana Fermions）的奇异电子态。
  
 
  
 马约拉纳费米子可以用作容错量子比特，这是未来量子计算机的基本工作单元，可能最终取代谷歌和IBM正在开发易受噪音影响的量子计算机原型。一个主要的障碍是三线对超导材料的稀缺性，让事情变得更加困难的是，超导电性及其潜在的配对机制被认为是无法计算或预测的少数几个物理性质，这是出了名的难。材料的寻找必须在很大程度上以艰苦的反复试验的方式进行，而不受任何理论指导的影响。
  
 
  
 这一新发现集中在一种特殊类型的晶体上，即非中心对称超导体。与大多数表现出反转对称性的常见晶体材料不同，也就是说，晶体结构与其反转图像无法区分，这类特殊的材料打破了反转对称，显示出有别于其自身的反转图像。据预测，这种低对称性表明存在难以捉摸的自旋-三重态配对。这些“低对称性”材料构成了一个潜在丰富的量子计算机建造材料矿藏。然而，在这些晶体中缺乏自旋-三重态配对的决定性证据。
  
 
  
 霍普金斯大学研究人员使用一种新的实验方法，检验了这种超导体的原型--α-BiPd。实验发现，在α-BiPd的多晶环中存在非常不寻常的磁通量半整数量子化，这构成了自旋-三重态配对的确凿证据。这一新发现描绘了一个充满希望和鼓舞人心的未来，因为更多的材料将从低对称性的材料中涌现出来。丰富的材料组合可以加速容错量子计算机的发展，在更远的未来，将迎来可以惠及普通民众的通用量子计算。
  
 
  
 寻找自旋三重态配对和拓扑超导材料的质数类别是没有反转对称性的超导体，研究预测宇称对称性的破缺，将导致自旋三重态和自旋单重态配对态的混合。然而，在任何材料中配对混合的实验确认仍然难以捉摸。研究进行了一个相敏实验来研究非中心对称超导体的配对态。在α-BiPd介观多晶中观察到的Little-Parks效应，α-BiPd环揭示了半整数磁通量子化的存在，这为自旋-三重态配对态的存在提供了决定性证据。

3. 谷歌实现量子霸权，量子计算机会对人们生活有何影响？

前几日谷歌宣布实现了量子霸权，可以堪称是计算机史上的一个里程碑的事件，但是很多人会担心量子计算机的出现会影响到人们日常的生活，其实在人类发展史上，任何一个比较有里程碑事件的出现都会引发人们的恐慌，这种担心也是有道理的。

本人认为量子计算机的出现对于人们生活影响在短时间之内不会发生很大改变。这是因为任何一个显著理论的出现都需要推行一段时间，那么在未来一段时间对人们生活的影响最多就是计算机更加发达，而很多事情都不需要人们进行手工操作，也就会让人们的生活越来越便利。简单的说就是会让人们越来越方便，首先是从机械制造方面来开始来讲的话，就能节省人工操作的时间。

但是量子技术在未来发展一段时间对人们的造成的影响还是非常大的，虽然就目前而言，我们还看不到未来的趋势，但是细想一下，未来量子技术如果能够普遍的话，那么人类很可能会失业，即使不会全部失业也会有一大部分人。尤其是从事机械制造的人类，因为计算机性能提高的话首先是从机械制造方面来简化人们的操作，所以未来大家还是要多加努力以防止自己失业。

另外一个方面，我认为是未来的生活可能会更加方便便利。因为是想几十年前我们不可能拥有现在智能化的工具，但是随着科学技术的不断发展，现在我们拥有了更加先进的技术手段，所以未来生活也会更加的方便和便利。

4. IBM量子计算完成里程碑式突破 2020年可能实现 “量子优势”

IBM正取得量子计算的又一个里程碑进展：创下了量子计量（Quantum Volume）的新高，IBM预计，按这种速度发展，用上所谓的量子优势（Quantum Advantage）只需十年时间。
  
 俗称“蓝色巨人”的IBM将在美国物理学会的三月会议上介绍这一科学里程碑的细节。IBM在2019年国际消费电子展上展出的旗下Q系统量子计算机引起小小轰动。另外，IBM近来在量子计算领域取得了稳步的进展。
  
 也就是说， 科技 高管的量子计算购买指南可能还是需要一段时间。上文提到的量子计量是一项性能指标，用于表示量子优势的进展。量子优势指的是量子应用可为经典计算机带来实质优势。
  
 量子计量由量子位的数目、连通性和相干时间决定的，另外量子计量也会影响到门限和测量误差、器件串扰和电路软件编译器效率。
  
 IBM表示其Q System One拥有一个20-qubit的处理器，产生的量子计量为16，是当前IBM Q系统的两倍，IBM Q的量子计量为8。 IBM还表示，Q System One的错误率属于IBM已经测量到的最低错误率一类。
    
 量子优势一旦实现后，就会有新的应用程序、更多的涉及生态系统的应用和实际业务用例。到时候量子计算的消费仍然可能是通过云计算，因为此技术具有的一些独特特性，使得传统数据中心看上去成了很简单的系统。 IBM从2016年开始通过云服务提供量子计算技术，现在与合作伙伴一起共同寻找商业和科学用例。
  
 ZDNet曾发过关于量子计算和经典计算之间的区别的入门文章，援引其中的两段如下：
  
 每个经典电子计算机都是利用了电子的自然行为产生符合布尔逻辑的结果（给定任何两个特定的输入状态，输出状态是特定的）。这里的基本交换单位是二进制数字（“比特”），比特的状态是0或1。在传统的半导体里，这两种状态由晶体管内的低电压电平和高电压电平表示。
  
 而量子计算机的结构完全不同。量子计算机寄存状态的基本单位是量子位（qubit），量子位也存储0或1状态（实际上是0和/或1）。量子计算不是通过晶体管完成的，而是通过轰击在彼此垂直的电场里的原子获得量子位，得到的结果是排列的离子，而这些离子同时又能方便且等效地分离开。在这些离子分得足够开时，绕着它们旋转的电子就成了成为量子位的本位地址。

5. 谷歌宣称实现量子霸权，IBM有不同意见

 谷歌在当地时间周三突然宣称其实现了量子计算领域的重要里程碑——“量子霸权”。谷歌表示，已经设计出一个机器，只需200秒就能解决世界上最快的超级计算机要花一万年才能解决的问题。
    谷歌故意让传统计算机“变笨”？ 
   谷歌在一条公开发布的博客中公布了这一震撼计算机界的消息，同时还附上了在《自然》杂志上发表的科学论文。
   上个月，谷歌的一篇论文被泄露，该论文声称谷歌已经能够利用一台 53 量子比特的量子计算机实现传统架构计算机无法完成的任务——在世界第一超算Summit需要计算 1 万年的实验中，谷歌的量子计算机只用了 3 分 20 秒。
   谷歌10月23日发表的博客，让这一消息实锤，并成为世界上首个宣称实现“量子霸权”的公司。实现了“量子霸权”意味着量子计算机距离实用又迈进了一大步。
   所谓“量子霸权”，是指当量子计算机发展到50个比特时，计算能力将全面超越世界上最快的传统计算机，实现“称霸”。谷歌和IBM都已分别在2017年11月和2018年3月宣称实现了50个和72个量子位的原型机。
   但有趣的是，竞争对手IBM第一时间对谷歌的这一“宣称”做出回应，并让谷歌的这一研究结果大打折扣。IBM在一篇博客中表示，谷歌高估了计算项目的难度。IBM称谷歌所宣称的经典计算机需要一万年执行的任务，其实只要2.5天就能完成。
   IBM还呼吁业界都引起质疑。“我们敦促业界用质疑的态度来对待这一 历史 上的首次‘宣称’，即量子计算机能够实现经典计算机不能实现的任务。”IBM表示。
   为了质疑谷歌，IBM还提出“量子优势”的概念，认为应该在一个真实应用场景，比如金融服务、AI、化学中，来对比量子计算机和经典计算机的工作。
    意义堪比第一架飞机试飞 
   谷歌CEO桑德尔-皮查伊很快予以还击，并把首次实现“量子霸权”的意义与莱特兄弟的首次试飞相提并论。皮查伊表示：“人类的首架飞机飞行时间只有12秒，因此也不可能有实际的应用。但这证明了飞机飞行的可能性。”
     如果像IBM所说的，经典计算机需要2.5天解决的问题，量子计算机用了200秒解决，这与谷歌宣称的一万年与200秒的对比，效果上打了不少折扣，也就是说量子计算机的优势并不那么明显。
   但由于“量子霸权”并没有对量子计算机比经典计算机快多少做出定义，理论上只要量子计算机被证明快于经典计算机，都能被视为实现“量子霸权”。
   对此，麻省理工学院教授Peter Shor认为，量子计算机和经典计算机的速度是很难做比较的。“这就好像无法回答‘火车要比船快多少的问题’。”Shor教授在近期上海举行的一场墨子沙龙上表示，“这不仅仅取决于运输方式，还取决于目的地在哪里。”
   Shor指出，公众的一个误区是往往局限于计算机的速度多快，而忽视了它的记忆和储存。他解释道：“量子计算机上的每一步几乎肯定要比传统计算机要复杂，但是量子计算机可以利用量子力学特性的算法，大大减少所需要的部署，从而加快计算的速度，这个是传统计算机所不具备的。”
   量子计算机与经典计算机的显著差异在于，传统的计算机存储数据的方式是0或者1，这就好比一个开关，只有“开”和“关”两种状态；而量子计算机存储数据方式是依赖量子比特，可以是介于0和1之间的任何状态，这令其速度更快。
    十年内可能无法改变世界 
   目前谷歌、IBM和英特尔等美国公司都在致力于量子计算机的研发。英特尔量子硬件部门总监Jim Clarke表示：“量子可能是未来100年做重要的计算机技术，就好像宇宙空间科学一样，它的研究可能要通过一代人的努力才能进步一点点。”
   正如皮查伊所说的，最初的量子计算机可能还无法马上投入实际使用。甚至在未来十年内，人们都无法看到量子计算机给世界带来实际的改变。但谷歌预测，量子计算机的潜在应用包括飞机和 汽车 轻量化电池的设计以及药物设计等。
   谷歌也承认，量子计算机要实现必要的计算能力，还需要工程界和科学界很多年的努力。“但是我们看到了这条路是清晰的，并且会一致朝前走。”谷歌表示。
   谷歌还表示，他们将尽快开发一款能够“容忍噪音和错误”的量子计算机。这种量子计算机原则上能够处理任何问题。理论上讲，它们需要更强大的处理器，能够包容更多的量子比特，而且为了达到纠错功能，还需要机器冗余。不过业内预计，要实现这样的技术至少还要等上10年左右。
   对于量子计算机的商业化前景，谷歌表示：“对于量子计算的保守估计，投资者预计只能在长期获得回报。尽管如此，我们依然认为，随着小型的量子计算机会在5年内逐渐兴起，短期的回报仍然是有可能的，虽然这些设备无法实现完全的纠错功能。”
   但漫长的商业化路径无法阻挡全球科研人员在量子技术领域展现他们最新的研究成果。比如中国发射的全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”，它为 探索 未来空间尺度量子通信应用的可能性做出巨大贡献。

6. 美国谷歌宣布量子霸权，聊聊什么是量子计算机？它牛在哪里？

7. 谷歌说他研制出了量子计算机 中科大就笑了

日前，中国量子计算机取得突破性进展，中国科技大学量子实验室成功研发了半导体量子芯片和量子存储，量子芯片相当于未来量子计算机的大脑，研制成功后可实现量子计算机的逻辑运算和信息处理，量子储存则有助于实现超远距离量子态量子信息传输。那么量子计算机相对于传统计算机有什么优势？本次成功研究的量子芯片距离真正实用的量子计算机还有多远呢？

图1 量子芯片研发成功
量子计算的基本原理
近年来，传统计算机发展中已经逐渐遭遇功耗墙、通信墙等一系列问题，传统计算机的性能增长越来越困难。因此，探索全新物理原理的高性能计算技术的需求就应运而生。
量子计算是一种基于量子效应的新型计算方式。基本原理是以量子位作为信息编码和存储的基本单元，通过大量量子位的受控演化来完成计算任务。所谓量子位就是一个具有两个量子态的物理系统，如光子的两个偏振态、电子的两个自旋态、离子（原子）的两个能级等都可构成量子位的两个状态——晶体管只有开/关状态，也就是要么是0状态，要么是1状态；而基于量子叠加性原理，一个量子位可以同时处于0状态和1状态，当量子系统的状态变化时，叠加的各个状态都可以发生变化。
举例来说，因为1个量子位同时表示0和1两个状态，7个这样的量子态就可以同时表示128个状态。N个量子位可同时存储2的N次方个数据，数据量随N呈指数增长。同时，量子计算机操作一次等效于电子计算机要进行2的N次方次操作的效果……等于是一次演化相当于完成了2的N次方个数据的并行处理，这就是量子计算机相对于经典计算机的优势。
量子计算机具有极大超越经典计算机的超并行计算能力。例如，求一个300位数的质因数，目前最好的经典计算机可能需要上千年的时间来完成，而量子计算机原则上可以在很短的时间内完成。因此，量子计算在核爆模拟、密码破译、材料和微纳制造等领域具有突出优势，是新概念高性能计算领域公认的发展趋势。
距离量子计算机还有多远
要构建量子计算式有两个要求，一个是量子逻辑门精度足够高，另一个是逻辑比特数量足够多。
量子比特可以分为物理比特和逻辑比特。物理比特并不稳定，可能现在有10个物理比特，但很快就丧失了。因此，不得不通过纠错码过程对10个物理比特做冗余，最后生成了一个逻辑比特，逻辑比特有很好的容错特性。
量子计算要产生相对于传统计算足够多的优势，有效的逻辑比特的数目必须要大于30的情况下才行，要做出真正的量子计算机则需要几百上千物理比特。而量子技术需要利用量子相干性才可以做计算，但每个量子比特都非常脆弱，很容易被环境退相干，使量子的相干性丧失，退相干的速度随着体系的扩大呈指数增加，量子比特越多，退相干速度越快。
为应对量子比特退相干的情况，就必须采用纠错码技术，鉴定噪声的可能状态，在假定了噪声特性的基础上，构建纠错码系统，构建纠错容错的理论体系。
其实，传统计算机也会发生计算错误，但可以通过纠错码计算。而量子计算机也是这样，如果能够达到容错预值（容错预值不仅仅是对操作精度，对噪声的总体水平有一个约束的关系）——外界噪声低到一定水平，操作达到一定精度之时，就可以满足容错计算。在精度上，由英国工程和物理科学研究理事会（EPSRC）资助的网络量子信息技术中心（NQIT）的科学家已经将量子逻辑门（quantum logic gate）的精度提升至99%；而国内由杜江峰院士带队的研究组在传统的纠错码下达到了更高的操作精度，量子逻辑门精度达到了99.99%，其单比特门精度已经满足容错计算的需求；本次中国科技大学量子实验室研发的半导体量子芯片也达到了满足容错计算的精度。
之前说过，在精度满足容错计算需求的情况下，有效的逻辑比特的数目超过30个就能在计算性能上取得对传统计算机的相对优势，那么有中国科技大学研发出的量子芯片的逻辑比特数达到多少呢？据笔者了解，该量子芯片由砷化镓材料制造，用量子点（用半导体工艺做出一个模拟原子能级的结构）实现量子比特，逻辑比特数量为3个。也就是说，只要进行系统扩展，把更多的逻辑比特能达到满足容错计算的精度，将逻辑比特数量扩大10倍，即可制造出在性能上超越传统计算机的量子计算机。不过，系统扩展难度非常大，建成量子计算机依旧任重道远。

图2 半导体量子芯片由郭光灿院士团队研发
中科大的量子芯片和谷歌的量子芯片有何差异
去年年底，谷歌声称成功研制出量子芯片，而且采用该芯片的量子计算机D-Wave解决问题时能够比其他任何计算机都快出一亿倍。那么，与谷歌的量子芯片相比，中科大量子实验室的量子芯片孰优孰劣呢？

图3 谷歌的量子计算机D-Wave
其实，谷歌的量子芯片和中科大量子实验室的量子芯片完全不是一回事。
谷歌的D-Wave并非真正的量子计算机，而是量子退火机，算法和一般意义理解的加减乘除的算法是有区别的，一般的算法，比如求开方或求互质是有标准的程序。而蒙特卡罗算法的一个关键步骤就是要形成一些随机数，由随机数去模拟。谷歌的D-Wave模拟了一个量子模型，经过数值分析模拟出量子的势场结构；其量子处理器由低温超导体材料制成，利用了量子微观客体之间的相互作用。因此，其体系是量子力学的。
而量子力学在微观层面上和宏观层面上是有区别的，它可以穿透一些势垒结构，比如有一道高3米，厚0.1米的墙，要翻过去必须有矫健的身手。通过量子力学，会有一定概率的普通人可以直接穿墙。但在经典层面上，用传统计算机来模拟的话，就必须老老实实的去爬墙，而这就是谷歌宣称快1亿倍的原因所在。
换言之，谷歌的量子计算机只是针对特定环节，做特殊算法的计算机。谷歌的退火算法可以在特定的环节、特定的应用中超过传统计算机，但并不具有普适性。标准量子计算机是具有普适性的计算机，可以运行各种各样的算法，类似于经典计算机，电路等效于图灵机模型，可以把图灵机的各种功能用电路来实现。计算机的电路由基本的门来构成，而标准的量子计算机也是有这样的一个概念，是由一系列基本的逻辑门来实现量子电路，进而实现各种算法功能。这种量子计算机被称为具有普适性的量子计算机，而谷歌的量子计算机就没有量子计算机对应的门的概念。谷歌的量子芯片采用低温超导技术，超导系统具有可集成性，能够集成更多的量子比特，但操作精度远远达不到量子计算的要求，这也是谷歌之所以研究量子退火，而非标准量子计算机的原因。借助超导体系已有的相对成熟的超导电子学，谷歌可以比较容易集成数量较多的量子位，但选择了这条路也意味着谷歌不存在用量子退火机“升级”，制造出量子计算机的可能性。也就是说，中科大量子实验室的量子芯片是基于量子点系统，虽然集成的量子比特会少一些，但拥有更好的量子逻辑门精度，就构建标准量子计算机而言，中科大量子实验室显然选择了正确的道路。
出品：科普中国
制作：铁流
监制：中国科学院计算机网络信息中心

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8. 谷歌实现量子霸权，量子计算机将胜过最先进传统超级计算机吗？

量子计算机有各种形状和形式，但它们都建立在相同的原理上：它们拥有一个量子处理器，可以在其中隔离量子粒子以供工程师操纵。这些量子粒子的性质以及控制它们的方法因一种量子计算方法而异。一些方法需要将处理器冷却到冰点温度，另一些方法需要使用激光来处理量子粒子，但共同的目标是找出如何最好地利用量子物理学的价值。

量子计算机和经典计算机有什么区别？自 1940 年代以来，我们一直在使用各种形状和形式的系统，笔记本电脑、智能手机、云服务器、超级计算机，被称为经典计算机。这些基于位，这是一种信息单位，为设备中发生的每一次计算提供动力。在经典计算机中，每一位都可以取 1 或 0 的值来表示和传输用于执行计算的信息。使用位，开发人员可以编写程序，这些程序是由计算机读取和执行的指令集。

在过去的几十年里，经典计算机一直是不可或缺的工具，但不灵活性是有限的。打个比方，如果任务是在大海捞针中寻找一根针，经典计算机就必须被编程为查看每一片干草，直到它到达针头。因此，仍然存在许多经典设备无法解决的大问题。“有些计算可以在经典系统上完成，但它们可能需要数百万年的时间，或者使用地球上总共存在的更多计算机内存，”Sutor 说。“这些问题在今天是棘手的。” 

量子计算机如何改进经典设备？任何量子计算机的核心都是量子位，也称为量子位，可以粗略地将其与经典计算机中处理信息的位进行比较。然而，量子比特与比特具有非常不同的特性，因为它们是由自然界中发现的量子粒子构成的，这些粒子多年来一直困扰着科学家。对量子计算最有用的量子粒子特性之一被称为叠加，它允许量子粒子同时以多种状态存在。想象叠加的最佳方式是将其与抛硬币进行比较：量子粒子不是正面或反面，而是仍在旋转的硬币。

通过控制量子粒子，研究人员可以向它们加载数据以创建量子位，而且由于叠加，单个量子位不必是 1 或 0，而是可以同时是两个。换句话说，虽然经典位只能是正面或反面，但量子位可以同时是正面和反面。这意味着，当被要求解决一个问题时，量子计算机可以使用量子位同时运行多个计算来找到答案，并行探索许多不同的途径。因此，在大海捞针的场景中，与经典机器不同，量子计算机原则上可以同时浏览所有稻草，在几秒钟内找到针，而不是寻找数年甚至数百年，在它找到它正在寻找的东西之前。