2017年11月，IBM宣布成功建構并測量了具有類似性能名額的50個量子比特原型機。
50個量子比特被普遍認為可以進行普通超級計算機不能完成的任務，IBM此舉也是在“量子霸權”（quantum supremacy）上具有裡程碑意義的一步。
在本周在舊金山舉行的IBM's inaugural Index 開發者大會上，該公司對外展示了50個量子比特原型機，更重要的是，原型機的内部結構圖同時曝光。
不過，盡管IBM的50個量子比特原型機看上去非常先進，但量子計算仍處于初級階段，包括IBM在内的公司都不太确定量子計算的下一步将走向何方。
與此同時，想要在量子計算這個蓬勃發展的領域取得“量子霸權”的不僅有IBM，還有谷歌（49個量子比特）、微軟以及日本的數家企業與研究機構。
阿裡雲量子實驗室首席科學家、之江實驗室副主任施堯耘認為，2018年将上演量子計算年度大戲，幾個大公司之間将出現量子霸權混戰，未來量子計算面臨着諸多變局。
VC、大公司、各國政府都在量子計算上玩添磚加瓦的施工比賽，讓這個舞台看上去熱鬧非凡。
構造圖曝光：IBM 50量子比特原型機大拆解
被曝光的IBM50量子比特原型機内部構造長這樣。
利用量子處理需要保持絕對零度附近的恒定溫度。這張細節的内部構造圖詳細解釋了各個部件的特性，整台“冰箱”利用兩種氦同位素的混合特性來創造這樣的環境，由2000多台電腦制造而成。
量子位信号放大器（Qubit signal amplifier）
其中的一個放大器需要恒定在4開爾文
輸入微波線路（input microwave lines）
每個容器都處于類似冰箱的環境中，進而保護量子位在發出信号的過程中控制熱噪聲以及讀取信号。
超導同軸裝置（superconducting coaxial lines）
為了盡量減少能量損失，在第一和第二連接配接軸之間插入信号同軸線，放大級由超導體制成。
量子放大器（quantum amplifiers）
磁屏遮罩内的量子放大器，放大處理讀取信号，并将噪音最小化。
混合室（mixing chamber）
冰箱最底部的混合室提供了必要的冷卻能力，使處理器和相關部件的溫度降低到15mK，比外層空間更冷。
低溫光電隔離器（cryogenic isolators）
低溫隔離器可以使量子信号向前發送同時防止噪聲影響其品質。
低溫盾（Cryoperm shield）
量子處理器位于一個屏蔽層内，保護其免受電磁輻射的影響，控制信号品質。
高效與脆弱并存：量子計算機對溫度、微波、光子等幹擾高度敏感
量子計算機能夠更有效地解決某些方程，如模組化複雜分子。但這種高效率受到系統脆弱性的影響。
目前，量子比特的一緻性時間在衰減前90微秒處達到頂點。也就是說，如果一個量子比特被指定為1，它隻會在0.0009秒内保持1。“之後，所有的努力就白費了，是以你需要有足夠的時間真正地使用量子計算。”IBM Q戰略副總裁Bob Sutor說，任何準備用量子計算的内容都必須在這段時間内完成。”
同時，量子計算機對來自溫度、微波、光子，甚至是運作機器本身的電力的幹擾也高度敏感。 Sutor說，由于熱量存在，很多電子在四處移動，互相碰撞，這可能導緻量子比特的退相幹。這就是為什麼這些機器必須冷卻到接近絕對零度才能運作。
除了内部的溫度，外部空間的溫度也是需要保持在兩到三度的絕對溫度之間。Sutor說外層空間太熱的話，就無法進行計算。現在，量子計算機平台的最低層存在于10毫開爾文的寒冷“冰箱”中，這是一個高于絕對零度的溫度。Sutor說，未來幾十年，我們可能還做不到能夠在室溫下運作的台式量子計算機。
不過令人驚訝的是，這些系統卻相當節能。除了冷卻運作系統所需的能量外（一個過程大約需要36個小時），IBM的量子原型機僅吸收10到15千瓦的功率，大緻相當于10個标準微波爐。
IBM“量子霸權”局限：公衆知識缺口、程式編寫缺少、計算機拓展困難
現在IBM已經開發出了量子計算機系統，這隻是第一步，下一個挑戰是弄清楚如何處理它們。這正是該公司IBM Q系統聚焦的發展方向和未來目的。
IBM Q系統建立在IBM的Quantum Experience的技術之上，Quantum Experience允許任何人、企業、大學等編寫和送出自己的量子應用程式或實驗，以便在該公司可用的量子計算裝置上運作，它本質上是用于量子計算的雲服務。迄今為止，已有超過75000人使用該服務，運作了超過250萬次的計算，并發表了超過24篇關于從量子相空間測量到同态加密的主題的研究論文。
為了增強由量子研究人員和應用開發人員組成的生态系統，IBM 還在今年年初推出了 QISKit (www.qiskit.org) 項目，這是一個開源軟體開發人員套件，可在量子計算機的程式設計和運作中使用。
但是，盡管公衆對這項技術的非常感興趣，但IBM離“量子霸權”還很遠。
在量子應用像經典計算機在20世紀70年代和80年代一樣萌發之前，人們必須克服重大的知識缺口。 Sutor指出，關于量子計算将是什麼以及什麼是量子計算的算法，我們到現在還不确定，也不知道量子計算在其他些領域的适用程度如何。
Sutor很清楚編寫程式的切入點是一個挑戰。對于傳統計算機來說，程式設計很簡單，但量子計算機還沒有這樣的功能。
另外一個必須克服的挑戰是如何擴充這些機器。正如Sutor指出的那樣，向矽晶片添加量子比特是一項比較簡單的任務，但是每增加一個元件，都會産生熱量，同時也會增大讓系統保持在其工作溫度範圍内所需的能量，前文說過，IBM的這台量子計算原型機必須冷卻到接近絕對零度才能運作。
對此，Sutor的做法是推出量子版的摩爾定律，他認為這項技術的下一個重大進步是品質而非數量。 “有50個巨大的量子的機器比擁有2000個糟糕量子的機器強大得多。”他認為，量子計算研究應該關注于通過增加量子比特來提高系統的保真度。
2018年量子霸權格局：在“魔道大戰”中進入兩極世界時代
“量子霸權”這條路上，從來不缺少巨頭的身影。
2017年4月，谷歌公布其實作“量子霸權”的路線圖，聲稱将利用49量子比特的模拟系統攻克傳統計算機無法解出的難題。
在谷歌的計劃表中，他們計劃于2017年底達成“量子霸權”，并在2016年年底展開了測試。這一測試的目标是證明，包含49個量子位的系統能解決超出任何傳統計算機能力的問題。谷歌沒有對最終結果置評，而結果是否成功也需要科學期刊的評審。
微軟也是較早展開量子計算研究的公司，他們将研發重點放在了“有效操縱”上，但尚未産生可以工作的量子比特，有消息稱微軟将在近期公布最新突破。
英特爾實驗室負責人邁克·梅伯裡（Mike Mayberry）表示，在真正可行的技術出現之前，大型科技公司之間将會有一場“十年的競賽”。他說，“我們現在還處于’玩具系統’時代”。
本月初，施堯耘
曾在新智元發表文章，對2018年的量子計算格局進行預測，他認為，2018年的量子計算舞台将極其精彩，量子霸權硝煙戰争已經打響，“魔道大戰”即将上演。
施堯耘認為，量子計算将分為“超導戲班VS離子阱歌舞隊”，并進入兩極世界。頂端是量子算法的進階隊：量子機器學習、優化算法和化學模拟；另一端是處理器隻有四、五個比特的小型公司，但仍有可能成長為參天大樹。
是以，2018年的量子計算值得期待。
原文釋出時間為：2018-02-24
本文作者：新智元
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