Google 推出開源量子演算法框架 Criq,有望找到量子電腦真正用途!

為了讓量子電腦真正發揮效用,Google 在近日推出了用於量子電腦的開源框架 Cirq,以便大眾可以為量子電腦開發有用的演算法。
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本篇來自合作媒體 雷鋒網 ,INSIDE 經授權轉載。

Google 推出由超導電路製成的 72 個量子位元的 Bristlecone 晶片,超過了 IBM 的 50 量子位元和英特爾的  49 量子位元,成為迄今為止最大的量子晶片。

不少學者曾表示,量子電腦獲得 50-100 個量子位元就能實現「量子霸權」,在一些領域有傳統電腦所不具有的能力,比如在化學和材料學裡模擬分子結構,還有處理密碼學、機器學習的一些問題。

Google 的 Bristlecone 給了我們這樣的期待。但是,硬體具備只欠東風。目前量子計算並沒有真正地解決電腦無法解的問題。

為了讓量子電腦真正發揮效用,Google 在近日推出了用於量子電腦的開源框架 Cirq,以便大眾可以為量子電腦開發有用的演算法。

 Google AI Quantum 團隊在部落格中寫道,「 Cirq 專注於眼前問題,幫助研究人員了解 NISQ 量子電腦是否能夠解決具有實際重要性的計算問題。」

量子位元相比傳統電腦更強大,是由於兩個獨特的量子現象:疊加( superposition)和糾纏(entanglement)。量子疊加使量子比特能夠同時具有 0 和 1 的數值,可進行「同步運算」( simultaneous computation)。量子糾纏使分處兩地的兩個量子位元能共享量子態,創造出超疊加效應:每增加一個量子位元,運算性能就翻一倍。比方說,使用五個糾纏量子的演算法,能同時進行 25 或者 32 個運算,而傳統運算必須一個接一個地運算。理論上, 300 個糾纏量子能進行的並行運算數量,比宇宙中的原子還要多。

在 Google 看來,過去幾年裡,量子運算在量子硬體的構建、量子演算法方面都有明顯的發展,隨著 Noisy Intermediate Scale Quantum(NISQ)電腦的出現,開發用於理解這些機器功率的演算法變得越來越重要。然而,在 NISQ 處理器上設計量子演算法時的一個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,而不是損耗在演算法與硬體之間不良映射上。此外,一些量子處理器具有復雜的幾何約束和其他細微差別,忽略這些將會導致錯誤的量子計算,或者導致修改和次優的計算。

NISQ 這個概念由美國人 John Preskill 提出,是是嘈雜中型量子 (Noisy Intermediate-Scale Quantum) 的簡稱。擁有 50-100 量子位元、以及高保真量子門 (Quantum Gate) 的電腦,便可稱為 NISQ 電腦。

Google 開發出的具有 72 個量子位元的 Bristlecone 晶片便是 NISQ。Google 希望藉助 NISQ 在五年內實現商業化。據了解,該框架尚未在真正的量子電腦上運行,但有望幫助量子電腦找到一些用途。

Criq 能提供什麼樣的演算法開發支援呢?

Cirq 為用戶提供了對量子電路的精確控制、經過優化的數據結構,可用於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。 Cirq 支援在伺服器上本地運行這些演算法,可以通過雲,與量子計算機或者更大的模擬器集成。

此外, Cirq 支援在模擬器上運行演算法,如果將來有了量子計算機,或者更大的模擬器,也很容易透過雲端,把設備和演算法集成起來。

Google 還同時發表了 Criq 的應用範例 —— OpenFermion-Cirq。OpenFermion 是一個開發化學問題量子演算法的平台。 OpenFermion-Cirq 則是一個開源庫,它將量子模擬演算法編譯成 Cirq。新庫利用最新進展為量子化學問題構建低深度量子演算法,使用戶能夠從化學問題的細節轉變為高度優化的量子電路,定制為在特定硬體上運行。例如,該庫可用於輕鬆構建量子變分演算法,以模擬分子和復雜材料的特性。

Google 表示,如果要實現其全部潛力,量子計算將需要強大的跨行業和學術合作。在構建 Cirq 時,我們與早期測試人員合作,以獲得對 NISQ 演算法設計的回應和見解。

以下是與早期採用者的 Cirq 合作案例:

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

QCWare 的執行長馬特約翰遜表示,Google 模擬器的一個優勢是用戶最終能夠在其上運行大規模問題,該公司的軟體允許客戶在多個硬體平台上運行量子演算法。「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先硬體系統的產品。」

Google 稱,Google AI Quantum 團隊正在使用 Cirq 創立在 Google 的 Bristlecone 處理器上運行的電路。將來,Google 計劃在雲端中提供此處理器,而 Cirq 將成為用戶為此處理器編寫程式的介面。與此同時,Google 希望 Cirq 能夠提高各地 NISQ 演算法開發人員和研究人員的工作效率。

NISQ 是一個令人充滿期待的術語,Google 的 Bristlecone 也讓人看到了量子位元數量不斷增加的希望。然後,對於量子計算機的應用,很多專家並不「興奮」。

MIT 的 Seth Lloyd 教授認為,想要開發出有用的應用,系統至少應該有超過 100 個量子位。 

Intel 高階副總裁、技術長兼 Intel 研究院院長 Michael Mayberry 曾表示,雖然他看好量子計算的前景,但他也坦承這一技術還有漫長的道路要走;實際上,量子計算離真正地實現大規模商用還需要有 10 年時間。不僅如此,即使量子計算進入到商用階段,它也不會讓經典的計算方法變得過時(比如說當下基於 CPU 的計算),不管是深度學習還是人工智慧,都不會因為量子計算的崛起和發展而變得過時 ——當然,量子計算可以解決很多目前常規計算能力無法解決的問題,比如說模擬材料、模擬藥品、後量子時代的加密演算法等。

看來,量子電腦的發展道阻且長。借助於 Google 的 NISQ 量子計算機和基於此的 Criq 演算法,更多的探索和想像或將發生。

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新國科會主委吳政忠:部會協力串聯,打造不只科技部的科技,回應社會多元需求

國家科學及技術委員會揭牌及主任委員布達儀式 7 月 27 日於科技大樓舉行,原科技部部長吳政忠出任首任主任委員,承接過去使命再提出四點精進方向,期待透過跨部會協力,布局新興科技與產業。
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科技部改制為「國家科學及技術委員會」(以下稱「新國科會」),7 月 27 日於科技大樓舉行揭牌及主任委員布達儀式,與會貴賓不只涵蓋產官學界,總統蔡英文及行政院長蘇貞昌也親臨會場,共同見證我國科研事務推動最高權責機關成立,為政府組織改造立下重要的里程碑。

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新國科會打造不只是科技部的科技,建立科技與臺灣社會的多元聯繫

臺灣的科技不應該只有科技部,而是還有經濟部、衛福部等所有部會在一起,但是用科技部的名稱出去國外,好像就變成全臺灣的科技都是科技部的。所以我說,科技不會只有科技部的科技,應該是所有部會的總合。

新國科會首任主委吳政忠在致詞開頭即強調「部會合作」的組織核心,表示「科技不只是科技,科技與經濟、社會、環境等面相都有密切的關係」,也因此不應侷限於某個部分,應當是多個部會、學術界、產業界等攜手合作推動。

有別於過去科技部與行政院科技會報辦公室以合作關係來協調部會,未來新國科會改以委員會的組織形式運行,透過每月主要部會的首長共同商議策略方向,能夠整合部會資源,協作共達目標,此舉不只立下我國科技發展全新的里程碑,也讓臺灣能夠更靈敏的面對國際競爭。

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新國科會主委 吳政忠。

新國科會前身是 1959 年行政院國家科學委員會,又於 2014 年改制為科技部,過去肩負推動全國整體科技發展、支援學術基礎研究,以及發展科學園區等三大使命,在歷任部長的努力下,更將創新創業加入推動目標。如今的新國科會不只承接過去使命,主任委員吳政忠更提出以下四點未來新國科會所精進的方向:

一、跨部會協力,布局新興科技與產業
儘管臺灣小、科技預算不如國外,但臺灣部會之間高效率、精準連結的合作模式,將成為與國外競爭時的最大優勢,而「跨部會」溝通不只是未來新國科會的努力目標,也是新國科會最核心的思考架構。

二、基礎學術研究奠基
回顧過去兩年臺灣新冠疫情的防疫成果,無論在病毒醫學還是疫苗研發領域,基礎科學研究一直都是技術開發的堅強後盾;所以在臺灣邁向國際頂尖的路上,無論半導體、太空、還是人工智慧,科技的基礎研究與國際互動都將是新國科會注重的發展方向。

三、打造精緻多元的生活科學園區
過去半導體產業已替臺灣打下堅實的基礎,科技園區的產值從 2.7 兆成長到去(2021)年 3.7 兆,但除了半導體,其他的產業也需要布局,尤其是精準健康、智慧農醫、電動車、太空科技、低軌衛星等「接近生活」的重點產業。

四、實踐科技的人文社會價值
隨著科技與生活拉近距離,未來的科技發展必然需要與社會需求、環境永續連結,回應外在社會環境的變化;此外,科技人才培育、加強臺灣女性在科技面的投入比例,都將是未來新國科會欲強化的目標。

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進一步探究,就會發現上述新國科會的策略方針並非憑空發想,而是源自對產業發展的細微觀察與豐富的知識、經驗的珍貴結晶。早在吳政忠任職行政院科技顧問組副執行秘書時,就已觀察到「當科技更接近生活,產品價值就會大幅度的翻倍成長」的現象,再回顧臺灣善於代工製造零件的發展歷史,才萌生「將臺灣強而有力的製造技術與創新想法整合」的初步想法。

但是「整合」一詞的背後,需要的是基礎研究、應用研究,產業實務之間的環環相扣,過程不只涉及公私跨部門、跨領域的協調,也是一個漫長轉換的過程,並非一蹴可及。最後,在數年醞釀及無數人的共同努力下,儘管過程困難重重,以「部會合作」思考為核心的組織架構「新國科會」終於順利誕生,讓整體國家的科技發展得以提升至行政院層級的高度,向下整合上中游的基礎研究、下游的應用研究及產業實務的連接,創造更多的商機與價值。

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新國科會的挑戰與期許,後疫情時代的科技人文關懷

如今全球進入後疫情時代,國際關係變動不定,更面臨供應鏈重組、數位轉型等產業挑戰,科技作為國家發展重要的中堅力量,勢必需要更快速的布局因應,在變動中搶得先機。但除了研究與創新,科技與人文社會的結合也是新國科會的一大核心。

隨著人工智慧、太空等科技發展,生活中科技將無所不在,因此未來傳統產業必然將被完全翻轉,此時人文社會科學就扮演嫁接技術與生活文化的重要橋樑,彰顯科學研究成果對人類福祉的巨大貢獻。但這一切的前提是科技與社會必須主動伸手,彼此接觸、相互了解,攜手促進社會總體的福祉發展。新國科會成立之日,同時也是「國科會職場互助教保服務中心 [ 註 ] 」揭牌日,便能看見國科會對人文的用心,除了前述四大重點外,對於女性人才的培育、原住民教育的深耕、環境永續,都將是國科會的重點目標,如何透過科技連結社會的需求,正是新國科會追求的核心,因此新國科會不只是部會整合、資源分配與未來展望而已,更是將科技應用在民間的推動者,同時成為科技與人文交流的平台,最大化科技對總體社會福祉的貢獻。

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[ 註 ] :國科會職場互助教保服務中心於 110 年 8 月開辦,位於科技大樓 1 樓,是臺灣公共托育協會承接的第一間職場教保中心。以平價、優質、非營利、社區化之方向營運,希望透過政府與公益法人團體協力的方式,結合民間團體資源,提供孩子優質的教保品質,減輕社區家庭照顧負擔,提升教保人員工作環境與權益。資料來源:財團法人彭婉如文教基金會