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集微公开课第二十五期笔记:量子计算,本源量子科普为何这是一个颠覆性的新技术

小如·06-24 10:31·老杳吧  来源: 爱集微

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6月23日(周二)上午10点,集微公开课第二十五期邀请到本源量子副总裁赵勇杰,带来以《从量子芯片到量子计算》为主题的精彩演讲。

点这里观看回放

本源量子成立于2017年9月11日,是国内首家量子计算领域创业公司,其技术起源于中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室,专注量子计算全栈开发,研制各类量子芯片、量子测控、量子软件产品,打造量子计算行业生态圈。

什么是量子?

赵勇杰博士首先对量子概念进行了介绍。

在物理学里,量子最开始是指能量的最小单元,比如说光量子。在量子物理理论中,光波是量子化的,即其有最小的能量单元:光子。在经典物理中,能量是一个连续的数值,在量子物理中,能量通常是离散的。

赵勇杰博士表示,世界是量子的,并针对第一次、第二次量子革命进行介绍。

信息技术时代有许多技术,包括原子能、激光、超导、晶体管和半导体器件、集成电路器件、微处理器,核磁共振成像等。这些科技是依赖于量子力学效应的,是建立在对于集体的量子态粒子的所展现的宏观量子行为的利用和控制上,这通常称为“第一次量子革命”或“量子1.0”。

随着科技的发展,人类开发出控制单个的量子态粒子的技术,可以利用单个量子体系所展现出来的微观量子行为,操纵并控制它们,直接利用量子体系的叠加、纠缠等量子力学行为,来创造出新的技术和工具。这通常被描述为“第二次量子革命”或“量子2.0”。

从量子计算到量子芯片

赵勇杰博士指出,量子计算区别于经典计算的核心在于,经典计算基于经典比特,量子计算基于量子比特。随着摩尔定律的发展,经典计算的芯片尺度不断减小,而量子隧穿效应是不可忽略的,在未来的计算机发展过程中,要么克服量子特性,继续用于推进经典计算;要么积极拥抱量子物理特性,从量子计算的角度出发,直接利用量子效应进行信息的处理。

换言之,在经典计算中,尺寸减小导致量子效应凸显,影响经典计算发展;而利用了量子效应的量子比特,则带来了新的计算模式,并可以实现加速效果。

经典比特只能处于0或1两种状态之一,而量子比特以0和1叠加的形式存在,并且可通过量子叠加和纠缠来等效应来处理超大规模数据的计算问题。叠加状态意味着既是0又是1。量子比特状态的演化对应状态矢量在布洛赫球面上的旋转。

理论上看,几百个量子比特的量子计算机能够同时处理的计算量要比已知宇宙中的原子数还要多。

赵勇杰博士针对量子态的测量、量子计算的优势、量子比特的物理基础、量子比特的物理实现、超导量子比特的基本原理进行了科普。

量子芯片就是将量子线路集成在基片上,进而承载量子信息处理的功能。尽管量子芯片有别于传统芯片,但量子芯片的研制基本上是基于传统芯片的制造过程。

针对量子芯片的加工过程,赵勇杰博士表示,就是非常标准的纳米加工过程,当然在工艺和材料上有些特别的选择。

量子芯片的优势

量子芯片作为量子计算机最核心的部分,是执行量子计算和量子信息处理的硬件装置,量子芯片的基本单元由量子比特构成。

量子优势包括并行性,量子叠加/量子纠缠;在空间方面,可以指数级储存数据,n个量子比特可以表示一个2^n维矢量;在性能加速上,对待特定问题能实现指数加速;在量子模拟方面,人造量子系统可轻易模拟物理系统;矩阵操作中,量子酉变换适合矩阵运算;数据分析方面,可以对指数级的数据进行并行分析。

目前,本源量子已发布玄微XW B2-100(本源第一代半导体二比特量子处理器)、夸父KF C6-130(本源第一代超导六比特量子处理器)。

超导量子芯片研究进展

赵勇杰博士对超导量子芯片研究进展进行了介绍。当前国际上最为领先的两个公司是谷歌和IBM,它们在基于超导芯片的量子计算技术处于世界领先水平。

谷歌:已发展到53位量子比特、平均相干时间>20μs、平均单比特操作错误率<0.06%、平均两比特操作错误率<0.6%、量子比特读取错误率<2%,为当前国际量子计算顶尖水平。

谷歌已在去年展示了量子霸权。赵勇杰博士表示,谷歌的量子芯片可以认为是世界上最顶级的量子芯片,各项指标非常完美。

IBM:目前已发展到20位量子比特、平均相干时间90μs、平均单比特操作错误率<0.12%、平均两比特操作错误率<6%、量子比特读取错误率<10%、拥有量子计算在线平台服务。

赵勇杰博士指出,IBM量子计算产业化走在世界前沿,有非常丰富的产业化应用经验。

赵勇杰重点展示了本源量子夸父KF S6-130超导量子芯片。该芯片是6位超导量子芯片,具备一维链近邻耦合、微秒级相干时间、纳秒级操作速度、总线集成读取技术等特性。本源量子目前在开发20位超导量子芯片。

直播课上,赵勇杰博士向公众展示了之前与浙江大学在量子芯片方面的研究,数据也达到了国际水平。

半导体量子芯片研究进展

继超导量子芯片之后,赵勇杰博士介绍了半导体量子芯片研究进展,半导体量子芯片实际上是用电子的自旋,或者用单个电子位置来进行量子信息的处理。

今年该领域有了最新进展:澳大利亚新南威尔士大学实现了超过1K温度下的单比特硅基量子处理器操作,在纯化硅单比特上实现了1.5K下98.6%的保真度。

同时,荷兰代尔夫特大学也在高温量子比特上展示了通用逻辑门操作,实验在1.1K操作温度下通过可调的交换相互作用实现了两个量子比特的相干翻转,并将单比特操作保真度提高到了99.3%。

赵勇杰博士指出,半导体量子芯片操作温度已经可以超过1K,而当前超导量子芯片却需要维持非常低的操作温度。半导体量子芯片摆脱对低温环境的依赖,有助于减少成本,并有利于推动量子计算机的在各种场景下的广泛应用。因为半导体量子芯片还有往更高温度提升的潜力,这也是非常有潜力的研究方向,目前英特尔等公司,都在进行相关的研究。

同时,赵勇杰博士展示了本源量子玄微XW Se2-100半导体量子芯片。据介绍,这是本源量子去年的研究成果,今年本源量子将会有更新的成果发布。

玄微XW Se2-100半导体量子芯片特点包括:2位半导体量子芯片、10nm精细电极工艺、长相干时间、单电子快速读出技术。

量子测控系统技术

有了量子芯片后,怎么做量子计算?

赵勇杰博士强调,在整个量子计算中,测控技术也是非常重要的一环。即使有很好的量子芯片,如果测控技术不过关,实际上并不能完成量子计算。

据介绍,量子测控系统技术可提供量子逻辑门操作以及量子比特的读取所需的信号生成、采集、控制、处理的经典硬件部分为量子硬件,对应的专用设备被称为量子芯片测控系统。

赵勇杰博士介绍了本源量子开发的量子测控系统,其采用模块化设计,可支持30位超导量子芯片、2位半导体量子芯片;整体性能达百ps级同步精度,百ns级信号处理速度;具备任意波形模块、直流模块、射频脉冲模块、射频采集模块。这也是首款国产量子计算机控制系统。

量子软件系统

赵勇杰博士表示,测控系统、量子芯片组合起来,构成了量子计算的硬件系统,而硬件系统需要软件系统的驱动才能正常工作。

量子计算软件系统主要由量子计算机操作系统、量子语言编译器、量子应用软件以及量子计算机集成开发环境四个方面构成。

本源量子软件包含量子计算机操作系统软件和协议、量子算法、量子编程语言、量子软件、量子链路协议、量子指令集等。

量子应用如何开发?其实是基于一些基本的量子算法。

量子算法有Shor算法,解决大数分解任务,打破RSA公开密钥体系;HHL算法,指数级提升线性方程组求解速度;QSVM,量子支持向量机,高效完成大数据分类,特征识别等任务;Grover搜索算法,加速搜索任务;VQE算法,解决量子化学中分子哈密顿量演化的基本问题;QAOA,解决NP-H问题的新的方法。

赵勇杰博士介绍,若要实现某个领域里的量子应用,首先要找到一个合适的量子算法,然后把量子算法在量子计算机中利用量子编程工具进行开发,最终才能在量子芯片上运行。

量子算法可应用在量子化学、人工智能、生物医疗、金融分析等领域。

赵勇杰博士表示,实际上量子计算比想象中距离我们更近。国际上已经有很多的公司在积极推进量子算法在各个领域的应用。

本源量子计算中心

赵勇杰博士展示了本源量子计算中心,包括量子芯片、量子测控系统、量子计算控制主机、开发工具等一整套系统,称为量子计算机系统,可部署在云服务器上,云服务器也可以同时适配虚拟机系统。本地用户可以直接操控量子计算的控制主机;远程用户,可以通过网络来访问量子计算机资源。

量子计算国际形势

赵勇杰博士还介绍了目前量子计算国际形势,国外量子计算布局较早,并且发展迅速。所以国际上有较多量子计算企业以及量子计算产业联盟。

量子计算国际巨头主要包括D-Wave、谷歌与IBM。

D-Wave:2017年加拿大D-Wave公司用处理器的量子比特数命名的这台2000Q,其能力远超之前模型。目前,其研发的量子计算机,曾经以单价5000万美金的市场售价售于洛克希德·马丁公司。

谷歌:2019年9月底,谷歌首次实现“量子霸权”。研发的量子计算机在解决特定问题的算力上,呈指数级提升。目前,已在全球部署5台量子计算机。

IBM:IBM宣传Q System One为“世界上为商用和科研打造的首个全面集成化的通用量子计算系统”,该量子计算机拥有20个量子位的计算力。目前,已在全球部署18台量子计算机。

本源量子实力

截至2019年9月30日,在全球公开的量子计算技术发明专利申请数量上,本源量子排名全球第12位,是唯一上榜中国企业。

此外,本源量子还是2020中国芯片设计企业榜单唯一上榜的量子计算企业。

据介绍,本源量子产业联盟——OQIA,涵盖了国防军事、生物制药、大数据、人工智能、分子模拟等多个行业。

据悉,为抢占量子计算科技高地,与众多国际量子计算顶尖团队展开竞争,支持我国量子计算产业化建设,培养量子计算行业人才,本源量子还打造了“先进量子计算中心”。

量子计算机会代替普通计算机吗?

针对“量子计算机会代替普通计算机吗”,赵勇杰博士表示,从当前量子计算机整体结构来看,量子芯片放在制冷机里,量子芯片的驱动有测控系统,但测控系统连接在普通计算机上,因此量子计算机并不是完全独立于普通计算机的。长远来看,量子计算机和经典计算机之间是一种融合和补充的状态。适用经典计算机的应用场景继续使用经典计算机就好,没必要使用量子计算机;适合量子计算机的场景,利用量子计算机进行处理,则可以带来量子算法加速等效果。未来的量子计算机和经典计算机,是相互融合和相互补充的关系,而不是简单的取代的关系。

(校对/依然)

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