Google推出开源量子演算法框架Criq,有望找到量子电脑

Google推出开源量子演算法框架Criq,有望找到量子电脑

Google 推出由超导电路製成的 72 个量子位元的 Bristlecone 晶片,超过了 IBM 的 50 量子位元和英特尔的  49 量子位元,成为迄今为止最大的量子晶片。

不少学者曾表示,量子电脑获得 50-100 个量子位元就能实现「量子霸权」,在一些领域有传统电脑所不具有的能力,比如在化学和材料学里模拟分子结构,还有处理密码学、机器学习的一些问题。

Google 的 Bristlecone 给了我们这样的期待。但是,硬体具备只欠东风。目前量子计算并没有真正地解决电脑无法解的问题。

为了让量子电脑真正发挥效用,Google 在近日推出了用于量子电脑的开源框架 Cirq,以便大众可以为量子电脑开发有用的演算法。

 Google AI Quantum 团队在部落格中写道,「 Cirq 专注于眼前问题,帮助研究人员了解 NISQ 量子电脑是否能够解决具有实际重要性的计算问题。」

量子位元相比传统电脑更强大,是由于两个独特的量子现象:叠加和纠缠。量子叠加使量子比特能够同时具有 0 和 1 的数值,可进行「同步运算」。量子纠缠使分处两地的两个量子位元能共享量子态,创造出超叠加效应:每增加一个量子位元,运算性能就翻一倍。比方说,使用五个纠缠量子的演算法,能同时进行 25 或者 32 个运算,而传统运算必须一个接一个地运算。理论上, 300 个纠缠量子能进行的并行运算数量,比宇宙中的原子还要多。

在 Google 看来,过去几年里,量子运算在量子硬体的构建、量子演算法方面都有明显的发展,随着 Noisy Intermediate Scale Quantum电脑的出现,开发用于理解这些机器功率的演算法变得越来越重要。然而,在 NISQ 处理器上设计量子演算法时的一个常见问题是如何充分利用这些有限的量子器件,集中资源来解决难题,而不是损耗在演算法与硬体之间不良映射上。此外,一些量子处理器具有复杂的几何约束和其他细微差别,忽略这些将会导致错误的量子计算,或者导致修改和次优的计算。

NISQ 这个概念由美国人 John Preskill 提出,是是嘈杂中型量子的简称。拥有 50-100 量子位元、以及高保真量子门的电脑,便可称为 NISQ 电脑。

Google 开发出的具有 72 个量子位元的 Bristlecone 晶片便是 NISQ。Google 希望藉助 NISQ 在五年内实现商业化。据了解,该框架尚未在真正的量子电脑上运行,但有望帮助量子电脑找到一些用途。

Criq 能提供什幺样的演算法开发支援呢?

Cirq 为用户提供了对量子电路的精确控制、经过优化的数据结构,可用于编写和编译这些量子电路,从而使用户能够充分利用 NISQ 架构。 Cirq 支援在伺服器上本地运行这些演算法,可以通过云,与量子计算机或者更大的模拟器集成。

此外, Cirq 支援在模拟器上运行演算法,如果将来有了量子计算机,或者更大的模拟器,也很容易透过云端,把设备和演算法集成起来。

Google 还同时发表了 Criq 的应用範例 —— OpenFermion-Cirq。OpenFermion 是一个开发化学问题量子演算法的平台。 OpenFermion-Cirq 则是一个开源库,它将量子模拟演算法编译成 Cirq。新库利用最新进展为量子化学问题构建低深度量子演算法,使用户能够从化学问题的细节转变为高度优化的量子电路,定制为在特定硬体上运行。例如,该库可用于轻鬆构建量子变分演算法,以模拟分子和复杂材料的特性。

Google 表示,如果要实现其全部潜力,量子计算将需要强大的跨行业和学术合作。在构建 Cirq 时,我们与早期测试人员合作,以获得对 NISQ 演算法设计的回应和见解。

以下是与早期採用者的 Cirq 合作案例:

Quantum Benchmark 提供的本质上是量子诊断工具,可以告知最终用户量子处理器中的错误率,并帮助抑制这些错误。 

QCWare 的执行长马特约翰逊表示,Google 模拟器的一个优势是用户最终能够在其上运行大规模问题,该公司的软体允许客户在多个硬体平台上运行量子演算法。「这将使我们的客户能够利用那些在功率方面肯定会成为领先硬体系统的产品。」

Google 称,Google AI Quantum 团队正在使用 Cirq 创立在 Google 的 Bristlecone 处理器上运行的电路。将来,Google 计划在云端中提供此处理器,而 Cirq 将成为用户为此处理器编写程式的介面。与此同时,Google 希望 Cirq 能够提高各地 NISQ 演算法开发人员和研究人员的工作效率。

NISQ 是一个令人充满期待的术语,Google 的 Bristlecone 也让人看到了量子位元数量不断增加的希望。然后,对于量子计算机的应用,很多专家并不「兴奋」。

MIT 的 Seth Lloyd 教授认为,想要开发出有用的应用,系统至少应该有超过 100 个量子位。 

Intel 高阶副总裁、技术长兼 Intel 研究院院长 Michael Mayberry 曾表示,虽然他看好量子计算的前景,但他也坦承这一技术还有漫长的道路要走;实际上,量子计算离真正地实现大规模商用还需要有 10 年时间。不仅如此,即使量子计算进入到商用阶段,它也不会让经典的计算方法变得过时,不管是深度学习还是人工智慧,都不会因为量子计算的崛起和发展而变得过时 ——当然,量子计算可以解决很多目前常规计算能力无法解决的问题,比如说模拟材料、模拟药品、后量子时代的加密演算法等。

看来,量子电脑的发展道阻且长。借助于 Google 的 NISQ 量子计算机和基于此的 Criq 演算法,更多的探索和想像或将发生。

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