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!

評論
評論

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。

延伸閱讀:

量子運算大突破!Google 公佈 72 位量子位元處理器,吹響量子霸權 號角

評論