據(jù)TechCrunch的消息，亞馬遜云（AWS）在2019年12月3日宣布了其量子計算機(jī)服務(wù)Braket預(yù)覽版發(fā)布。Braket目前是由D-Wave、IonQ和Rigetti三家量子計算公司提供硬件，AWS云提供量子計算系統(tǒng)，四家公司共同合作的結(jié)果。
目前，亞馬遜并沒有在自己的數(shù)據(jù)中心安裝這些量子計算機(jī)，而是提供了一種統(tǒng)一的方式來訪問這些量子計算機(jī)。Braket為開發(fā)者提供了一個標(biāo)準(zhǔn)的、完全管理的Jupyter記錄薄環(huán)境，用于探索他們的算法。當(dāng)然，他們也會提供一些預(yù)裝的開發(fā)工具、示例算法和教程，幫助新用戶開始實用混合和經(jīng)典量子算法。
圖1：D-Wave的2000Q量子計算處理器。
此外，亞馬遜還在加利福利亞理工學(xué)院附近建立了AWS量子計算中心和量子解決方案實驗室。估計以后亞馬遜也會制造自己的量子計算機(jī)硬件，而且亞馬遜量子計算負(fù)責(zé)人 Simone Severini 也證實公司正在開發(fā)量子硬件，但沒有透露任何細(xì)節(jié)。
圖2：Rigetti量子計算公司生產(chǎn)的量子計算處理器。
其實在亞馬遜之前，微軟在11月美國佛羅里達(dá)州奧蘭多市舉辦的2019年度Ignite大會上也宣布了計劃推出Azure Quantum云計算服務(wù)，為部分客戶提供3臺量子計算機(jī)原型機(jī)的接入服務(wù)。這3臺原型機(jī)分別來自工程巨頭霍尼韋爾(Honeywell)和兩家初創(chuàng)公司——美國馬里蘭大學(xué)科學(xué)家創(chuàng)立的量子計算初創(chuàng)公司IonQ，以及耶魯大學(xué)科學(xué)家創(chuàng)立的量子計算初創(chuàng)公司Quantum Circuits,Inc(QCI)。
Azure Quantum會將微軟之前發(fā)布的量子編程工具與其云服務(wù)整合在一起。編碼器可以在模擬的量子硬件上運(yùn)行量子代碼，也可以在霍尼韋爾、IonQ或QCI的真實量子硬件上運(yùn)行量子代碼。
當(dāng)時，微軟宣稱Azure Quantum服務(wù)將會在未來幾個月內(nèi)推出。當(dāng)然，與亞馬遜一樣，微軟目前也還沒有自己的量子計算硬件。
在微軟宣布推出量子計算云服務(wù)的前一周，即10月23日，谷歌在《Nature》發(fā)表了一篇名為《使用可編程超導(dǎo)處理器的量子霸權(quán)》論文，演示了其量子計算機(jī)在約三分鐘內(nèi)生成了約100萬個隨機(jī)數(shù)據(jù)串，而全球運(yùn)行速度最快的傳統(tǒng)超級計算機(jī)需要一萬年才能完成這個任務(wù)。據(jù)谷歌發(fā)布的消息，他們本次實現(xiàn)了53個“量子比特”，解開了超級計算機(jī)再怎么進(jìn)步也很難解開的問題，證實了“量子霸權(quán)”。
圖3：谷歌《使用可編程超導(dǎo)處理器的量子霸權(quán)》論文中演示的量子霸權(quán)。
不過在谷歌論文發(fā)出不久，量子計算的另一個核心玩家IBM就發(fā)博客說谷歌的說法有誤導(dǎo)性，計算方式有Bug，現(xiàn)代超算根本不需要花費(fèi)那么長的時間。而且用自己的方法在超算上花了兩天半的時間就完成了谷歌之前說需要一萬年才能完成的相同計算任務(wù)。
其實IBM自己也有一臺53量子比特的量子計算機(jī)，而且已經(jīng)開放給外部用戶使用。在IBM位于紐約州的新量子計算中心，目前擁有14個量子計算系統(tǒng)，其中包括新的53量子比特的系統(tǒng)、5個20量子比特的系統(tǒng)、1個14量子比特的系統(tǒng)、以及4個5量子比特的系統(tǒng)等。
歐美、中、日在量子領(lǐng)域大力投入
除了美國，中國在很早之前就開始了量子計算機(jī)的研制，而且近年來，中國將量子通信和量子計算機(jī)定位為重大項目。中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院院長潘建偉院士認(rèn)為，目前量子計算機(jī)還處于比較初級的階段，但它的研制在快速發(fā)展中，中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院與谷歌和IBM一樣都處于世界第一陣營。他承認(rèn)，目前谷歌的量子計算機(jī)處于領(lǐng)先地位。
他預(yù)計中國在明年有望實現(xiàn)對50個量子的操縱。在超導(dǎo)量子計算研究的進(jìn)展方面，近期可以實現(xiàn)30個超導(dǎo)量子比特的糾纏。
歐美和中國正在國家和企業(yè)層面上戰(zhàn)略投資量子技術(shù)，其中美國制定了《量子信息科學(xué)國家戰(zhàn)略概述》，自2019年起，5年里最多投入13億美元，將建設(shè)約10個研究和人才培養(yǎng)基地。歐盟啟動了10億歐元的規(guī)模的項目，德國、英國和荷蘭等國也敲定了自主投資計劃。
看到歐美和中國的動作后，日本也開始了追趕之路，據(jù)《日經(jīng)中文網(wǎng)》報道，日本力爭今后20年實現(xiàn)量子計算機(jī)實用化，且已經(jīng)將量子技術(shù)定位為與人工智能和生物技術(shù)并列的重要領(lǐng)域，計劃在今年內(nèi)會擬定首個開發(fā)戰(zhàn)略。根據(jù)進(jìn)度表，日本將以到10年后為目標(biāo)開發(fā)出量子位達(dá)100個的量子計算機(jī)。之后將進(jìn)一步增加數(shù)量，提升計算精確度，力爭2039年前后實現(xiàn)實用化。
此外還將推進(jìn)無法竊聽能夠安全通信的密碼技術(shù)、在無法使用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）的水中準(zhǔn)確獲知位置的傳感器等開發(fā)。
戰(zhàn)略中除了5年間增加5處以上國際性研發(fā)基地外，還提出了10年間成立逾10家以量子技術(shù)為核心的創(chuàng)新企業(yè)的目標(biāo)。本年度日本量子技術(shù)相關(guān)預(yù)算約為160億日元，下年度力爭幾乎翻番。
大家都知道，要實現(xiàn)真正的量子計算機(jī)還需要時間。現(xiàn)在的量子計算機(jī)只能跑一些固定的程序和算法，并沒有多大的實用性和商用價值。
在世界范圍內(nèi)，谷歌、IBM和中國的阿里巴巴集團(tuán)等都在積極推進(jìn)量子計算機(jī)的開發(fā)。這是一個屬于未來的技術(shù)，那量子計算機(jī)到底可以用在哪些方面呢？它可以用來做什么？
量子計算機(jī)可以用來做什么？
與傳統(tǒng)計算機(jī)相比，量子計算機(jī)利用的是量子態(tài)的疊加等性質(zhì)，可以實現(xiàn)計算能力的飛躍。因此，在密碼破解方面量子計算機(jī)擁有獨(dú)特的優(yōu)勢。
比如，現(xiàn)在通訊時對密碼等信息進(jìn)行加密，即使是最新的超算，也需要很長時間才能破解，因此加密被視為“安全”。但量子計算機(jī)有可能破解這種加密。
拿RSA加密算法舉例來說，它是一種廣泛被用于保護(hù)信息安全的算法，它利用計算機(jī)都很難快速完成的因數(shù)分解來進(jìn)行加密。如果給你一個數(shù)字10，你立刻就可以告訴我它可以被分解為2和5兩個素數(shù)的乘積，但是如果我給你的數(shù)字是62615533，你應(yīng)該無法通過心算告訴我它是哪些素數(shù)的乘積。
這不能怪罪于你的心算能力。一旦數(shù)字足夠大，計算機(jī)也無能為力。如果給出一個4000位的數(shù)字，即使是讓現(xiàn)存的計算機(jī)運(yùn)行和宇宙年齡一樣長的時間也無法將它分解成一系列素數(shù)的乘積。但如果是量子計算機(jī)來處理的話就能輕易破解。
跟RSA加密算法類似，其他的加密算法也一樣在量子計算機(jī)面前不堪一擊。倫敦加密貨幣公司Post Quantum的首席執(zhí)行官安德森·鄭（Andersen Cheng）甚至擔(dān)心，量子計算機(jī)可以在三年內(nèi)破解區(qū)塊鏈。量子計算公司IonQ的首席執(zhí)行官斯圖爾特·艾倫（Stuart Allen）也預(yù)計，量子計算可能會在十年內(nèi)成為區(qū)塊鏈的問題。
除了在密碼學(xué)領(lǐng)域，量子計算機(jī)在化學(xué)、生物和制藥領(lǐng)域也可以大展身手。比如，為了設(shè)計一種新藥，一個明智的選擇就是在計算機(jī)上模擬它的行為。困難在于分子是由很多粒子組成的，而這些粒子全部遵循量子力學(xué)的規(guī)律。我們知道，隨著粒子數(shù)的增長，描述分子系統(tǒng)所需的信息量呈指數(shù)增長，這使得計算變得異常困難。面對相對小的分子，最好的經(jīng)典計算機(jī)在模擬分子的量子動力學(xué)性質(zhì)時也顯得無能為力，但量子計算機(jī)卻可以勝任這項工作。
此外，量子計算機(jī)在金融市場的風(fēng)險預(yù)測、提高物流效率和解決城市交通擁堵方面也有很大的優(yōu)勢。
基于現(xiàn)有計算機(jī)器件的量子計算機(jī)？
上面的這些量子計算機(jī)都是超導(dǎo)量計算處理器來實現(xiàn)的，但 <電子發(fā)燒友>在高交會上見到了一家深圳的公司展示了一款叫做薛定諤計算機(jī)的樣機(jī)。
據(jù)現(xiàn)場的工作人員介紹，他們這款計算機(jī)采用的就是傳統(tǒng)的CPU、GPU、硬盤、內(nèi)存等器件，但使用特定的計算架構(gòu)，可以實現(xiàn)基于本征態(tài)的多位邏輯量子比特表示模型，他們自己設(shè)計的數(shù)字量子計算算法，定制了量子數(shù)字操作系統(tǒng)和新型量子數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲模型和量子數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)庫系統(tǒng)。該計算機(jī)就基于SDN全交換網(wǎng)絡(luò)計算體系，實現(xiàn)了邏輯量子比特位的彈性收縮，可以支持量子計算資源無線擴(kuò)展和計算能力彈力擴(kuò)充的分布式量子計算網(wǎng)絡(luò)。
圖4：薛定諤計算機(jī)
據(jù)現(xiàn)場工作人員解釋，谷歌、IBM，以及D-Wave等初創(chuàng)的量子計算機(jī)企業(yè)的量子計算機(jī)都是基于超導(dǎo)量子計算處理器的，穩(wěn)定性很不好，而他們基于現(xiàn)在傳統(tǒng)計算機(jī)器件的薛定諤計算機(jī)則避開了這個不足。
對于這個計算機(jī)的性能，<電子發(fā)燒友>只在現(xiàn)場見工作人員演示了破解128位密碼的速度。
谷歌發(fā)表在《Nature》上的論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5?utm_source=weibo&utm_medium=social&utm_term=s41586-019-1666-5
作者：程文智
