2018年3月，谷歌推出由超導(dǎo)電路制成的72個(gè)量子比特的Bristlecone芯片，超過了IBM的50量子比特和英特爾的49量子比特，成為迄今為止最大的量子芯片。

Bristlecone 是谷歌的最新量子處理器（左圖）。右側(cè)是這個(gè)芯片的結(jié)構(gòu)示意圖，每一個(gè)「X」代表一個(gè)量子比特，相鄰最近的量子比特之間是相連的。

不少學(xué)者曾表示，量子計(jì)算機(jī)獲得50-100個(gè)量子比特就能實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”，在一些領(lǐng)域有傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)所不具有的能力，比如在化學(xué)和材料學(xué)里模擬分子結(jié)構(gòu)，還有處理密碼學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)的一些問題。

谷歌的Bristlecone給了我們這樣的期待。但是，硬件具備，只欠東風(fēng)。目前量子計(jì)算并沒有真正地解決一個(gè)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法解決的問題。

雷鋒網(wǎng)獲悉，為了讓量子計(jì)算機(jī)真正發(fā)揮效用，谷歌在近日推出了用于量子計(jì)算機(jī)的開源框架Cirq，以便公眾可以為量子計(jì)算機(jī)開發(fā)有用的算法。

 

Google AI Quantum團(tuán)隊(duì)在博文中寫道，“Cirq專注于眼前問題，幫助研究人員了解NISQ量子計(jì)算機(jī)是否能夠解決具有實(shí)際重要性的計(jì)算問題?！?/p>

量子比特相比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)比特更強(qiáng)大，是由于兩個(gè)獨(dú)特的量子現(xiàn)象：疊加（superposition）和糾纏（entanglement）。量子疊加使量子比特能夠同時(shí)具有 0 和 1 的數(shù)值，可進(jìn)行“同步計(jì)算”（simultaneous computation）。量子糾纏使分處兩地的兩個(gè)量子比特能共享量子態(tài)，創(chuàng)造出超疊加效應(yīng)：每增加一個(gè)量子比特，運(yùn)算性能就翻一倍。比方說，使用五個(gè)糾纏量子的算法，能同時(shí)進(jìn)行 25 或者 32 個(gè)運(yùn)算，而傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)必須一個(gè)接一個(gè)地運(yùn)算。理論上， 300 個(gè)糾纏量子能進(jìn)行的并行運(yùn)算數(shù)量，比宇宙中的原子還要多。

在谷歌看來，過去幾年里，量子計(jì)算在量子硬件的構(gòu)建、量子算法方面都有明顯的發(fā)展，隨著Noisy Intermediate Scale Quantum（NISQ）計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，開發(fā)用于理解這些機(jī)器功率的算法變得越來越重要。然而，在NISQ處理器上設(shè)計(jì)量子算法時(shí)的一個(gè)常見問題是如何充分利用這些有限的量子器件 ，集中資源來解決難題，而不是損耗在算法與硬件之間不良映射上。此外，一些量子處理器具有復(fù)雜的幾何約束和其他細(xì)微差別，忽略這些將會導(dǎo)致錯(cuò)誤的量子計(jì)算，或者導(dǎo)致修改和次優(yōu)的計(jì)算。

雷鋒網(wǎng)了解到，NISQ這個(gè)概念由美國人John Preskill提出，是是嘈雜中型量子(Noisy Intermediate-Scale Quantum) 的簡稱。擁有50-100量子比特、以及高保真量子門 (Quantum Gate) 的計(jì)算機(jī)，便可稱為NISQ計(jì)算機(jī)。

谷歌開發(fā)出的具有72個(gè)量子比特的Bristlecone芯片便是NISQ。谷歌希望借助NISQ在五年內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。 據(jù)了解，該框架尚未在真正的量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行（只是模擬一個(gè)），但有望幫助量子計(jì)算機(jī)找到一些用途。

Criq能提供什么樣的算法開發(fā)支持呢？

Cirq為用戶提供了對量子電路的精確控制、經(jīng)過優(yōu)化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可用于編寫和編譯這些量子電路，從而使用戶能夠充分利用NISQ架構(gòu)。 Cirq支持在模擬器上本地運(yùn)行這些算法，可以通過云，與量子計(jì)算機(jī)或者更大的模擬器集成。

此外，Cirq支持在模擬器上運(yùn)行算法，如果將來有了量子計(jì)算機(jī)，或者更大的模擬器，也很容易通過云，把設(shè)備和算法集成起來。

 

谷歌還同時(shí)發(fā)布了Criq的應(yīng)用示例—— OpenFermion-Cirq。 OpenFermion是一個(gè)開發(fā)化學(xué)問題量子算法的平臺。OpenFermion-Cirq則是一個(gè)開源庫，它將量子模擬算法編譯成Cirq。新庫利用最新進(jìn)展為量子化學(xué)問題構(gòu)建低深度量子算法，使用戶能夠從化學(xué)問題的細(xì)節(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨葍?yōu)化的量子電路，定制為在特定硬件上運(yùn)行。例如，該庫可用于輕松構(gòu)建量子變分算法，以模擬分子和復(fù)雜材料的特性。

谷歌表示，如果要實(shí)現(xiàn)其全部潛力，量子計(jì)算將需要強(qiáng)大的跨行業(yè)和學(xué)術(shù)合作。在構(gòu)建Cirq時(shí)，我們與早期測試人員合作，以獲得對NISQ計(jì)算機(jī)算法設(shè)計(jì)的反饋和見解。

以下是與早期采用者的Cirq合作示例：

Quantum Benchmark提供的本質(zhì)上是量子診斷工具，可以告知最終用戶量子處理器中的錯(cuò)誤率，并幫助抑制這些錯(cuò)誤。 

QCWare的首席執(zhí)行官馬特約翰遜表示，谷歌模擬器的一個(gè)優(yōu)勢是用戶最終能夠在其上運(yùn)行大規(guī)模問題，該公司的軟件允許客戶在多個(gè)硬件平臺上運(yùn)行量子算法。 “這將使我們的客戶能夠利用那些在功率方面肯定會成為領(lǐng)先硬件系統(tǒng)的產(chǎn)品?！?/p>

谷歌稱，Google AI Quantum團(tuán)隊(duì)正在使用Cirq創(chuàng)建在Google的Bristlecone處理器上運(yùn)行的電路。將來，谷歌計(jì)劃在云中提供此處理器，而Cirq將成為用戶為此處理器編寫程序的界面。與此同時(shí)，谷歌希望Cirq能夠提高各地NISQ算法開發(fā)人員和研究人員的工作效率。

NISQ是一個(gè)令人充滿期待的術(shù)語，谷歌的Bristlecone也讓人看到了量子比特?cái)?shù)量不斷增加的希望。然后，對于量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，很多專家并不“興奮”。

MIT的Seth Lloyd教授認(rèn)為，想要開發(fā)出有用的應(yīng)用，系統(tǒng)至少應(yīng)該有超過100個(gè)量子位。 

Intel 高級副總裁、首席技術(shù)官兼 Intel 研究院院長 Michael Mayberry曾告訴雷鋒網(wǎng)，雖然他看好量子計(jì)算的前景，但他也坦承這一技術(shù)還有漫長的道路要走；實(shí)際上，量子計(jì)算離真正地實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商用還需要有 10 年時(shí)間。不僅如此，即使量子計(jì)算進(jìn)入到商用階段，它也不會讓經(jīng)典的計(jì)算方法變得過時(shí)（比如說當(dāng)下基于 CPU 的計(jì)算），不管是深度學(xué)習(xí)還是人工智能，都不會因?yàn)榱孔佑?jì)算的崛起和發(fā)展而變得過時(shí)——當(dāng)然，量子計(jì)算可以解決很多目前常規(guī)計(jì)算能力無法解決的問題，比如說模擬材料、模擬藥品、后量子時(shí)代的加密算法等。

看來，量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展道阻且長。借助于谷歌的NISQ量子計(jì)算機(jī)和基于此的Criq算法，更多的探索和想象或?qū)l(fā)生。

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