神祕的 Google 量子計算總部,室內設計風格也很酷

作者 | 發布日期 2021 年 11 月 15 日 8:15 | 分類 Google , 尖端科技 , 量子電腦 Telegram share ! follow us in feedly


位於美國加州海邊的聖塔芭芭拉市有濃厚藝術氛圍,同時也是美國頂尖研究理科院校之一──加州大學聖塔芭芭拉分校(UCSB)的所在地。這裡也是 Google 量子 AI 實驗室(Quantum AI Campus)的新家。

來自全世界最優秀的工程師、量子力學研究者、藝術家和自然科學家合作,目標是從量子力學角度達成繼算盤、傳統電腦、機器學習後又一次計算技術重大突破。

電腦技術的進步,讓人類生活水準大大提升,但基礎科學研究領域,研究者不再滿足於矽基半導體的傳統電腦了。一些超級重度依賴計算的任務,如為全球氣候變化精準建模,或探究全新複合材料結構,即使用最先進的超級電腦,也需要幾年至幾萬年不等時間,如果以量子計算,可能只需小時甚至幾分鐘。研究量子計算不僅能解決古典計算無法解決的問題,還能讓人類距離探索宇宙最基礎原理更進一步,對大自然運轉有更深了解。

這便是Google下一個十年,全力投入量子計算基礎研究的動機。

美國時間11月10日,筆者有幸參與Google聖塔芭芭拉量子計算總部的「虛擬」參訪,和Google量子計算團隊的主任工程師、研究科學家等深入交流。

計算、自然科學、人文和藝術融合的「車庫」

和古典計算不同,量子計算核心單元是量子糾纏狀態的粒子,極易受電磁、熱、宇宙射線干擾,有天然錯誤。讀者或許會以為,專門研究量子計算的實驗室,一定像電影存放機密的實驗室一樣,層層把守,密不透風,位於地下,到處是混凝土牆和法拉第籠(Faraday cage),排除一切干擾。

然而Google的量子計算總部卻和想像天差地別,反而更像矽谷創業故事的車庫創業。不僅如此,Google Quantum AI Lab到處充斥前衛藝術廠房風格。

當然,畢竟這還是研究量子計算的機構,各種藝術品不乏以量子處理器/電腦發想的圖片和繪畫。

(Source:Google

就連最核心、最神祕的量子電腦,到了Google這裡,也成了「藝術裝置」。

(Source:影片截圖)

這種室內裝潢選擇,讓Google量子AI實驗室視覺輕鬆活潑。員工或許會更有創造力吧?

實際上,「創造力」正是團隊最重視的東西。

Google量子AI實驗室主任工程師兼Google聖塔芭芭拉辦公室負責人Erik Lucero表示:「隊伍的創造力不限科學層面,而是科學家和藝術家兩種創意的結合。只有融合創造力,才能幫助團隊實現發明未來的目標。」

研究科學家兼量子電路工程師Marissa Giustina表示:「大家雖然都是研究量子計算,但量子計算仍非常早期,也沒有固定方向,所有人都在嘗試。此階段能引入各行各業頂尖人才,腦力激盪非常重要。」

團隊組建思路代表Google對量子計算的認識,以及對團隊的要求──不限短期、數位層面目標,如增加量子位數,比競爭對手更早達到高級量子霸權等。

Google專注長期目標,因量子計算終究還是要造福人類,解決更大規模、更長遠的難題,如找到氣候變遷的答案、探究新材料科學以解決飢荒問題等。想解決這些難題,需要的不僅電腦科學和量子力學專家,還要更多人文、藝術專家。

Google量子AI實驗室選址定在風景優美的聖塔芭芭拉,背後也有更深刻的原因。

據Lucero介紹,首先聖塔芭芭拉擁有全美最優秀的研究型院校加州大學聖塔芭芭拉分校,超級電腦研究和應用部門絕對領先全美。如名數學家、菲爾茲獎得主Michael Freedman,就是加州大學聖塔芭芭拉分校的教授,同時也是與微軟合辦的量子計算研究小組Station Q負責人。

從超級計算/量子計算人才密集性來看,Google將量子AI實驗室設在這裡非常明智。Lucero 表示,聖塔芭芭拉「有很多優秀人才,當地民眾也非常歡迎我們,Google能和當地學術和研究社群完美融合。」

Lucero還有另一個選擇聖塔芭芭拉的原因:

自然風光優美。在這裡生活和工作,我們能感受到與自然的連結。量子計算也是這樣,和大自然基本原理有千絲萬縷的關係。」換言之,從事量子計算研究,團隊成員能更容易從周圍環境獲得啟發,提升創造力,有助實現更多今天看來「不可能」的突破。

(Source:Unsplash

揭祕Google量子電腦

來到Google量子AI實驗室,筆者有兩個最想看的東西,一是辦公室長什麼樣,另一個當然就是Google的量子電腦了。

量子電腦和一般電腦有非常大差別。個人電腦包括主板、中央處理器、顯卡、硬碟、記憶體、輸入輸出設備等主要部件,大到桌面主機,小到巴掌大的手機都可以裝。而量子電腦尺寸非常巨大。

討論量子電腦時候,很多圖片都會顯示如下這種非常精密的儀器。

(Source:Google Quantum AI Campus,下同)

這是低溫恆溫器加訊號放大器。裝置從上到下溫度不斷降低,到最下面的量子處理器,溫度接近絕對零度。恆溫器還安裝很多模擬訊號電路,控制量子處理器,並將處理器量子位傳出的訊號放大編碼,轉換成一般數位訊號。

恆溫器旁邊還能看到一架看起來像上古時代伺服器的設備──就是量子處理器的「操作系統」。這些硬體都是Google量子AI實驗室團隊自行研發組裝。藉著這些設備,團隊才能操作量子處理器,輸入任務、讀取處理結果等。

能耗方面,Giustina表示,照團隊2019年測試看,如果同任務採用傳統超級電腦,功率是兆瓦等級,且要多年才能完成,採用當時Google量子計算設備,功率只有25千瓦,且只花幾十分鐘就完成。

量子電腦製冷部分是耗能大戶。因Google量子計算系統採用超導量子位,為了盡量減少熱干擾,整個系統運行溫度在10毫開爾文以內(-273.15~0.14℃)。

Giustina表示,量子電腦工作最煩的就是噪音真的很大。「噌、噌、噌的聲音,一直不停響,非常吵。可想像成很吵的大冰箱,你不會想放在家裡。」正因如此,團隊估計未來就算量子電腦正式商用,應該不會本地部署,而透過類似雲端服務,放在資料中心。

Lucero倒是不太介意噪音,甚至把量子電腦比喻成音樂播放器,因工作原理就是控制器將訊號透過模擬脈衝訊號,穿過一層又一層綿延數英里長度的線路,發送給量子處理器。「就像放音樂給量子位聽。」Lucero說。

負責神機妙算的量子處理器,又是怎樣的神祕設備呢?Google開發的量子處理器Sycamore,封裝後外觀和普通CPU確實有點像。下圖看到的其實是封裝好的Sycamore量子處理器,可想成「主機板」。

真正的量子晶片封裝在中間印有「Google」字樣的封蓋下。

四周金屬管實際上是同軸電纜接頭,和機架/恆溫器模擬訊號電路連結,控制和狀態讀取Sycamore。

Sycamore量子處理器封蓋設計也非常獨特。封蓋由多層組成,其中一層材質是超導鋁合金,塗成黑色,遮蓋漏進來影響量子位工作的光,還有另一層材質是鎳鐵合金,可屏蔽電磁干擾。

這是封蓋拆開的樣子:

真正的量子計算晶片大概長這樣:

(Source:Google AI Blog

晶片大小示意,面積150平方公釐,接近郵票大小:

這塊Google量子計算晶片採用多層結構:佈線層和量子位層。

下圖顯示的是佈線層。主要功能是電子控制系統和量子位間訊號傳輸和讀取。這層和實際量子位層分開,中間有隔離裝置,是為了避免訊號在佈線層傳輸干擾量子位層。

雖然量子電腦和傳統電腦架構完全不同,但晶片材料其實一樣。如佈線層也是從矽晶圓切下來,線路使用裸露金屬線。

(Source:Google Quantum AI Campus,下同)

然後就是計算真正發生的地方──量子位層。這一層Google用最先進半導體封裝技術安裝數十個量子位在晶片上。量子位層的基底是覆有超導鋁合金塗層的矽晶圓,配合佈線層的專門設計,使Google團隊可單獨控制每個量子位。

量子位是量子計算的基本單元,採用超導材料製造。架構其實非常簡單,由電感器和電容器組成。下圖為一個量子位的顯微鏡掃描示意圖,尺寸約為10平方微米,寬度和一根頭髮相近。

至於一塊Sycamore晶片有多少量子位,Google公開宣稱的是53個(總數是54個,但剩下一個無法工作)。但Lucero對筆者透露,目前團隊成功封裝出超過54個可操作量子位的新晶片。

Google也公開量子計算藍圖:

1. 證明「量子優越性」

2019年,Google藉Sycamore處理器宣布達成量子優越性,即量子電腦處理實際任務性能優於傳統電腦,儘管當時備受質疑,Google仍堅信成績代表人類量子計算進入NISQ(Noisy, Intermediate Scale Quantum,嘈雜中型量子)時代。

NISQ時代,即便當時所有量子電腦的量子位有極高錯誤率和穩定時間太短,無法長時間計算,人們仍然可利用此系統,並研發更好的糾錯系統最佳化現有量子電腦性能,提高可用性。

Google擁抱NISQ時代最大、必須克服的挑戰,就是提高量子糾錯能力。

2. 擴大系統的量子位規模,實際證明量子糾錯的可行性。

今年7月,Google宣布量子糾正有重大突破。Google在《自然》發表論文,展示如何使用邏輯量子位和穩定迴路,讓計算錯誤隨著量子位數量提升而降低,最終糾錯能力達到業界頂尖水準100倍。

雖然這次Google糾錯進展仍被業界評為「不切實際」,但Google團隊認為,這次只是展示糾錯方法之一,雖然今天可能不切實際,但未來或許有可能用於開發穩定糾錯的量子電腦。

3. 實現糾錯邏輯量子位。

證明量子糾錯後,擴展到夠大規模系統,證明大規模構建糾錯邏輯量子位可行。

4. 將兩個邏輯量子位(由1千個物理量子位構成)平鋪在一起組成量子晶體管。

5. 用量子晶體管,將整個系統的物理量子位數量擴展到十萬個。

6. 形成完整的量子糾錯電腦。

▲ Erik Lucero。

Google保守估計,十年內或許可能達成糾錯邏輯量子位,至於開發出真正完整可用、有糾錯能力的量子電腦,大概要到本世紀末才有可能。

考慮到Google這幾年重金投入及突破,或許我們有生之年真能看到聖塔芭芭拉、Google量子AI實驗室成為量子計算技術關鍵突破的「Ground Zero」。也許未來某一天,藉由量子計算,我們更認識自然和宇宙法則,實現人類智慧的典範轉移。

(本文由 品玩 授權轉載;首圖來源:Google

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