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量子计算的疯狂赛道上,四大巨头如何应战?

钛媒体 2019-12-06

图片来源 @视觉中国

文|锌刻度,作者|麦柯,编辑|潘娟

近日,在 AWS re:Invent 全球大会上,亚马逊官宣 AWS 三箭齐发量子计算组合拳:Braket、AWS 量子计算中心和量子解决方案实验室。

随着亚马逊的强势入局,加上此前鼓吹量子霸权的谷歌、起步最早的 IBM、暗自发力的微软,这场关于量子计算的巨人战争正式打响。

看似入局新人,实则有备而来

从最近的情况看,亚马逊的切入点还是比较务实的。因为量子计算还是处于初级阶段。因此,企业级应用尚未形成,而亚马逊希望借助 Braket 帮企业客户开始学习和试验量子计算,通过比较不同量子技术的开发、仿真和测试环境,评估适合自身发展的演化路径。

一直以来,AWS 提供着从磁盘存储到卫星控制天线等 160 多种服务,这次亚马逊选择了非自建而是将量子计算机访问放入其云服务的范围,让客户通过 AWS 就可以访问合作伙伴的量子计算系统。

Braket,名称来自量子力学的狄拉克符号—— "bra-ket",用来描述量子力学状态。它让客户可以自行构建量子算法和基本应用程序,然后在 AWS 上进行模拟测试。

目前,亚马逊的合作伙伴展示了三种不同的量子处理器方法,它们是基于量子比特(qubit)设备构建的,量子比特将数据编码成量子力学效应。其中,旧金山湾区的 Rigetti 使用了与 IBM 和谷歌相同的超导芯片;加拿大的 D-Wave 使用类似方法来使处理器进行量子退火(quantum annealing);马里兰大学的衍生企业 IonQ 使用激光控制的离子阱(Ion trap)装置。亚马逊表示,该服务预计 2020 年向所有企业客户推出。

亚马逊进军量子计算,迅速得到了合作伙伴的积极反馈。波音公司表示,正在从事与基础材料、系统优化、安全通信等方面切入量子计算研究,希望借助颠覆性的量子计算、传感和网络技术,解决航空航天行业遇到的挑战,提升产品和服务。因此,在发展的过程中,特别期待与 AWS 协作。

应该说,从一开始,亚马逊就在搭建产学研一条龙服务。

而把 "AWS 量子计算中心 " 实验室建在加州理工旁边,亚马逊的初衷也是希望汇集人才,促进科学和工业的创新。

尤其是在传统计算机无法企及的领域,量子计算很可能在储能、化工、材料、药物、工艺优化和机器学习等领域发挥作用。

一边是高校,一边是企业,亚马逊的桥梁纽带作用定位明确,并且着力打造量子解决方案实验室,将计划把研讨会与头脑风暴相结合,帮助客户从业务挑战倒推,逐步地、有效地使用量子计算机,进而开始开发自己的量子计算策略,建立内部的专业知识,最终部署量子应用。

目前,合作伙伴网络(APN)成员包括:1Qbit、Rahko、Rigetti、QCWare、QSimulate、Xanadu 和 Zapata。

作为入局的新人,亚马逊量子计算的 " 三驾马车 " 布局算是合理,显然经过了深思熟虑。

这时回头看看其他三强的表现,我们或许可以一窥量子领域的现状。AWS 副总裁比尔瓦斯表示,亚马逊开展量子计算研究大概四年时间,而其他三强(微软、IBM、谷歌)都在八年以上。微软则声明自家的技术将更具实用性。

在云计算领域,微软快了一步

大概是 2016 年开始,IBM 就已经提供了访问其量子硬件的网络渠道,谷歌也宣布不久后将开启类似服务。上述两强在原型量子处理器方面的研究处于前沿地位,并与大众汽车、摩根大通等签订了合作协议,共同开展量子计算在电动汽车电池开发和金融市场建模方面的研究。

在云计算领域,亚马逊和微软两家占据主导地位。两家公司去年总共占据了云市场的 60%。其中,亚马逊的份额遥遥领先于微软(据 Canalys 2018 年的数据,31.7% vs 16.8%)。不过,近期微软刚刚从美国国防部手里抢到了 100 亿美元云计算大单,这令亚马逊非常恼火。

而就在上个月的 Ignite 2019 上,微软发布了 Azure Quantum 量子服务,其中包括量子解决方案,量子软件和量子硬件。Azure Quantum 是一个完整的开放式云生态系统,它将使量子计算组织获益。

微软推出量子计算云服务 Azure Quantum

微软正在与 1QBit、霍尼韦尔、IonQ 和 QCI 合作,提供各种量子解决方案、软件和硬件。其实早在 2017 年,微软首次发布了量子开发套件(Quantum Development Kit)的首个公开预览版,还发布了 Q#编程语言、量子计算模拟器和其他资源。

在 Build 2018 上,微软宣布开放其 Q#编译器和量子开发工具包中的量子模拟器的源代码的计划。

今年年初,微软宣布推出微软量子网络(Microsoft Quantum Network),这是一个由个人和组织共同致力于推动量子计算的全球社区。

微软量子网络成员将与微软合作,以学习、研究和启动量子计算应用程序和硬件,并可以访问量子开发套件,成员还享有访问量子开发工具包、重要研究和专家、独家访问 Azure 服务以及参加量子编程和算法开发研讨会的权利。

与谷歌的 " 量子霸权 " 不同,微软花数年研究名为 " 拓扑量子位 "(topological qubit)的技术,希望为量子计算机夯实基础。微软量子计算软件部门总经理克里斯塔 · 斯沃尔表示,在花了五年时间搞清楚拓扑量子比特所需的复杂硬件后,微软近乎准备好将它们投入使用。

结果,微软在量子计算的抢跑,刺激了亚马逊,后者立刻表态迎战。正因为亚马逊和微软都没有自己的量子硬件,反而确定了他们独立第三方的灵活运行模式。不过,从长远角度说,亚马逊还是会推出自己的量子处理器。

谷歌与 IBM 神仙打架

说起谷歌,其凭在《Nature》" 量子霸权 " 雄文,量子计算 200 秒 = 地球最强超算 1 万年,震惊了世界。连总统女儿伊万卡都在推特上点赞。对此,谷歌 CEO 桑达尔 · 皮查伊在接受《MIT 科技评论》时激动地说,量子霸权就像飞机被发明,火箭上太空,足以载入史册。

皮查伊回顾道:2006 年,谷歌科学家 Hartmut Neven 开始研究用量子计算为机器学习加速,并催生了谷歌 AI 量子团队。

CES 上,IBM 把整个量子计算系统集成到一个玻璃盒中,作为能独立工作的综合设备展出

2014 年,美国物理学会院士约翰马迪尼斯加入了谷歌,担任谷歌量子硬件首席科学家,领导构建量子计算机的工作。

2016 年,量子计算理论首席科学家 Sergio Boixo 在 Nature Communications 上发表了相关论文,最终聚焦了量子霸权的计算任务上来。

量子计算理论首席科学家 Sergio Boixo

2018 年 10 月,因为加州大火,谷歌圣克拉拉实验室被迫关闭,一众被休假的科学家,反而在量子霸权上实现了思维跃迁。

另据《金融时报》报道,谷歌去年跟 NASA 立下 flag:今年实现量子霸权,让 53 位的量子计算机的算力秒杀传统计算机。双方合作用的量子芯片叫 Bristlecone,有 72 个量子比特。Bristlecone 必须把超导电路维持在绝对零度附近,所以没法搬离谷歌的实验室,NASA 研究人员只能通过谷歌云 API 远程连接芯片。

按照约定,双方 2019 年初在 NASA 最强的超级计算机 Pleiades 上对运行仿真所需的软件进行编码,并在今年 7 月,比较量子电路仿真和谷歌量子计算机硬件的结果。

虽然,谷歌和 NASA 一直持乐观态度,但业界并不看好。阿里巴巴数据基础设施和搜索技术部门认为要实现量子霸权可能需要错误率更低的量子芯片。

南加州大学量子信息科学与技术中心主任丹尼尔里达在接受《MIT 科技评论》时称,量子霸权似乎还需要其他方式抑制错误。

虽然同行众说纷纭,但是如果评论通过,就可以弹冠相庆。此前,NASA 官网曾爆料草稿乌龙事件,但最后论文登上《Nature》,似乎宣告了量子计算的新时代。

于是冷眼旁观的 IBM 坐不住了,直接发文怒怼谷歌 " 误导大众 "。蓝色巨人认为,谷歌的量子霸权说法是有缺陷的。因为其在并没有充分利用超级计算机的全部能力的情况下进行竞争的。

IBM 认为,谷歌调整了 baseline,并涉及证明一组数字是否随机分布。论文中所谓量子计算机的处理器 Sycamore(梧桐)只需 200 秒就解决了超算需要 1 万年的问题(相当于 18 亿倍)。

而实际上,安装在橡树岭国家实验室的最先进的 200-petaflop IBM 超级计算机可以在两天半解决战斗,虽然没有谷歌快,但差距没有一万年那么久。所以,IBM 认为谷歌的量子霸权纯粹是在忽悠。

对此,谷歌表示不予置评。

必争的赛道也是豪赌的未来

200 秒与 2.5 天,相差 1080 倍。这成功引起了业界乃至公众对于量子霸权的兴趣。

但在媒体吹爆谷歌里程碑意义的同时,也必须看到,从去年特朗普签署了《国家量子倡议法案》,在成立科技政策办公室(OSTP)的同时,也宣布将在未来五年拨款 12 亿美元支持量子计算的研发。

响应国家号召,谷歌、IBM、微软、亚马逊等科技巨头纷纷加入战局。最近研究显示,风投已经向探索量子计算的初创企业投资了超过 4.5 亿美元。

当量子计算成为美国的国家战略,那么未来的全球竞争将会是业界新的主线。据《南华早报》报道,人类大脑已知的这个最微小的领域对国家安全、商务、医学、武器以及与计算机和网络相关的几乎一切事物都有重大影响。

这是因为量子计算在速度和功率方面有望比现有最大超级计算机还要高出多个数量级。因此,美国、欧盟和中国都在激烈争夺这个高科技 " 必杀技 "。

可是,美国政府并不乐意把这一切交给随心所欲的企业去做。至少,联邦政府正在实施两项计划,精简和协调量子计算及其他与量子相关的私人与公立研究项目。这些计划旨在制定国家战略,确保美国维护技术领域的霸主地位。

中国也在量子领域不断寻求突破。按照中国的 " 十三五 " 规划纲要的要求,量子计算机已被列入科技创新 2030 重大项目。其中,中国在国家级量子实验室上投入了 4 亿美元,近年来获得的量子技术专利几乎是美国的两倍。

不得不说,量子计算正在成为兵家必争之地。然而,比起传统的图灵机、冯诺伊曼架构以及经典计算,量子力学中的量子纠缠曾经让爱因斯坦发出 " 鬼魅般的超距作用 " 的慨叹。

而当加速旋转的量子比特登堂入室,成为庞然大物——量子计算机,人类也见证了量子计算快到极致、加密破译的疯狂。

或许量子霸权的意义大于内容,在解决容错、纠错等噪声难题任重道远,但是它让业界进入了一片新天地。

澳大利亚悉尼新南威尔士大学的量子物理学家米歇尔西蒙斯说," 看起来谷歌给了我们首个量子加速在真实世界中是可行的实验证明," 也许这会吸引更多的计算机科学家和工程师到量子计算领域来,从而使该领域获益。

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