Google 開源量子演算法框架 Criq,有望找到量子電腦真正用途

作者 | 發布日期 2018 年 08 月 01 日 8:15 | 分類 Google , 尖端科技 , 開放資料 follow us in feedly

今年 月,Google 推出由超導電路製成的 72 個量子位元 Bristlecone 晶片,超過 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。



▲ Bristlecone 是 Google 的最新量子處理器(左)。右側是晶片的架構示意圖,每個「X」代表一個量子位元,相鄰最近的量子位元之間有相連。

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沒有的能力,比如化學和材料學模擬分子架構,還有處理密碼學、機器學習一些問題。

Google 的 Bristlecone 給我們期待,但硬體具備,只欠東風。目前量子計算並沒有真正解決傳統電腦無法解決的問題。

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

Google AI Quantum 部落格文章寫道,「Cirq 專注於眼前問題,幫助研究人員了解 NISQ 量子電腦能否解決有實際重要性的計算問題。」

量子位元相比傳統電腦位元更強大,是由於兩個獨特的量子現象:疊加(superposition)和糾纏(entanglement)。量子疊加使量子位元同時具 0 1 數值,可進行「同步計算」(simultaneous computation)。量子糾纏使分處兩地的兩個量子位元能共用量子態,創造出超疊加效應:每增加一個量子位元,運算效能就翻一倍。比方說,使用 5 個糾纏量子的演算法,能同時進行 25 或 32 個運算,傳統電腦只能一個接一個算。理論上, 300 個糾纏量子能進行的並列運算數量,比宇宙的原子還多。

Google 看來,過去幾年,量子計算在量子硬體的構建、量子演算法方面都有明顯發展,隨著 Noisy Intermediate Scale QuantumNISQ)電腦出現,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,NISQ 處理器上設計量子演算法時的常見問題是,如何充分利用這些有限的量子器件 ,集中資源解決難題,而不是耗在演算法與硬體之間的不良對映。此外,一些量子處理器有複雜的幾何約束和其他細微差別,捨棄這些將導致錯誤的量子計算,或導致修改和次優的計算。

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

Google 開發的具 72 個量子位元 Bristlecone 晶片便是 NISQGoogle 希望借助 NISQ 在 5 年內達成商業化。 據了解,該框架尚未在真正量子電腦執行(只是模擬),但有望幫助量子電腦找到用途。

Criq 能提供什麼樣的演算法開發支援?

Cirq 為用戶提供精確控制量子電路、經最佳化的資料架構,可用於編寫和編譯這些量子電路,進而使用戶充分利用 NISQ 架構。Cirq 支援在模擬器區域執行這些演算法,可透過雲端與量子電腦或更大的模擬器整合。

此外,Cirq 支援在模擬器執行演算法,如果將來有量子電腦或更大的模擬器,也很容易透過雲端,把裝置和演算法整合起來。

Google 還同時發表 Criq 的應用範例──OpenFermion-CirqOpenFermion 是一開發化學問題量子演算法的平台。OpenFermion-Cirq 則是開源程式庫,將量子模擬演算法編譯成 Cirq。新程式庫利用最新進展為量子化學問題構建低深度量子演算法,使用戶能從化學問題的細節轉變為高度最佳化的量子電路,自訂為在特定硬體執行。例如,該程式庫可用於輕鬆構建量子變分演算法,以模擬分子和複雜材料的特徴。

Google 表示,如果要發揮全部潛力,量子計算將需要強大的跨界和學術合作。構建 Cirq 時與早期測試人員合作,以獲得 NISQ 電腦演算法設計的回饋和見解。

以下是與早期採用者的 Cirq 合作範例:

Quantum Benchmark 提供的本質是量子診斷工具,可告知一般使用者量子處理器的錯誤率,並幫助抑制這些錯誤。

QCWare 首席執行長馬特約翰遜表示,Google 模擬器的優勢是用戶最終能在其上執行大規模問題,軟體允許用戶在多硬體平台執行量子演算法。「這將使我們的用戶能利用在功率方面肯定會成為領先硬體系統的產品」。

Google 稱,Google AI Quantum 團隊正使用 Cirq 建立在 Google 的 Bristlecone 處理器執行的電路。將來,Google 計劃在雲端提供此處理器,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 能提高各地 NISQ 算法開發人員和研究人員的工作效率。

NISQ 是令人充滿期待的術語,Google 的 Bristlecone 也讓人看到量子位元數量不斷增加的希望。然而,對量子電腦的應用,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,系統至少要超過 100 個量子位。

Intel 進階副總裁、首席技術長兼 Intel 研究院院長 Michael Mayberry 曾告訴雷鋒網,雖然他看好量子計算的前景,但也坦承這技術還有漫長的路要走;實際上,量子計算離真正大規模商用還需 10 年時間。不僅如此,即使量子計算進入商用,也不會淘汰經典的計算方法(比如說當下基於 CPU 的計算),不管深度學習還是人工智慧,都不會因為量子計算崛起發展而消失──當然,量子計算可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 Google 的 NISQ 量子電腦和基於此的 Criq 算法,更多探索和想像或將發生。

(本文由 雷鋒網 授權轉載;首圖來源:影片截圖)

延伸閱讀: