[解读科学]量子计算机在国内亮相，尝试与AI结合

by Paek Jongmin

Published 25 Nov.2024 13:48(KST)

量子计算机从“梦想”走向现实：延世大学启用 IBM“Quantum System One”，有望成新药开发“游戏规则改变者”；谷歌以 AI 解决量子误差，混合式量子计算机亮相，AI 巨头英伟达亦加入量子计算支持

20日上午，在仁川延寿区松岛延世大学国际校区量子计算中心，国内首台达到商用水平的量子计算机“IBM Quantum System One”对外公开。联合新闻提供

能够在新药开发、材料设计、基础物理学等领域瞬间完成各种复杂计算的梦想之机，就是量子计算机。虽然这一领域与发达国家的差距过大，追赶十分困难，但我们也终于拥有了最新的量子计算机。最近在延世大学开始运行的 IBM Quantum System One 正是主角。

一所私立大学引进需要大规模资本投入的量子计算机，本身就是一次了不起的挑战。制造商 IBM 与用户延世大学对使用费都守口如瓶，但显然需要支付相当可观的金额。得益于此，我们也能直接利用最新量子计算机的性能。如果由我们自行研发，虽然时间会更长，但可能节省部分成本；相反，也会付出相应的机会成本和时间成本。哪种选择才是正确答案，尚不得而知。现在关键在于如何充分利用这台计算机，取得高于投入成本的成果。同时，也多了一项任务，即要准确把握最新量子计算机的发展现状。

◇韩国也正式迈入量子计算时代＝IBM 在延世大学松岛校区安装的量子计算机“IBM Quantum System One”此前只在美国、加拿大、德国、日本部署过，韩国是第五个安装国家。实地看到的量子计算机被玻璃外墙环绕，仿佛在欣赏博物馆里展出的艺术品，与此前见到的那种类似水晶吊灯造型的量子计算机模型形成鲜明对比。这台计算机由 127 量子比特的 IBM Quantum Eagle 处理器驱动，采用多种量子计算机实现方式中的超导体方案。为了维持零下 237 摄氏度，计算机周围配备了多种冷却装置同步运行，楼宇外部也安装了用于冷却的系统。

韩国 IBM 常务 Pyo Changhee 表示，这是一台“拥有可同时处理 2 的 127 次方规模运算速度，并达到量子实用性阶段性能的量子计算机”。延世大学量子事业团的 Jung Jaeho 也强调称，“超过 100 量子比特的量子计算机，其性能已达到超级计算机也无法追上的程度”，并期待其将在生物，尤其是新药开发领域作出巨大贡献。

IBM 在量子计算机领域无疑处于领先地位。去年，公司公开了突破 1000 量子比特的“Condor”处理器，让量子行业大为震惊。IBM 近年持续发布性能每年翻番的量子处理器。与之相比，国内在大致相同时间才刚刚推进开发 20 量子比特计算机的项目，差距之大可见一斑。

IBM 在今年于国内公开 Quantum System One 之前，也已经抛出重磅消息。通过去年发布的“Heron”量子处理器，IBM 已能在特定类别的量子电路上，精确执行最多 5000 个两量子比特门运算。Heron 处理器重点攻克的是量子计算机的核心难题——错误问题。在 2023 年发表在国际学术期刊《Nature》上的实用性实验中，每份数据的处理时间共耗时 112 小时，而此次则在 2.2 小时内完成，速度提升了 50 倍。常务 Pyo Changhee 预测称，三年内量子计算机将在性能上超越当前使用的超级计算机，形成所谓的“量子霸权（Quantum Supremacy）”。IBM 还在推进开发 10 万量子比特规模量子超级计算机的宏伟计划。

谷歌对Alpha Qubit进行可视化的示意图。图片来源谷歌博客提供

◇为量子计算搭载人工智能的谷歌＝进展并非只发生在 IBM。反而更大的新闻来自凭借人工智能（AI）荣获诺贝尔奖的谷歌。谷歌最近公开了“AlphaQubit”系统。这一系统由 Google DeepMind 与 Quantum AI 团队联合开发，并发表在《Nature》上。它通过基于人工智能的解码器系统，为量子计算机最大难题——纠错问题，提出了突破性的解决方案。量子计算机在重复运算过程中会不断累积错误，原因在于其对噪声极为敏感。为此，谷歌引入了用于最新大语言模型（Large Language Model）的 Transformer 模型。Transformer 是谷歌开发的架构，也为人工智能发展带来了重大转折。与传统方式相比，AlphaQubit 将错误检测精度提升了 50% 以上，被评价为将大幅加快实用量子计算机的实现进程。

近期量子领域还出现了一匹“黑马”，那就是英伟达（NVIDIA）。在人工智能发展中发挥决定性作用的英伟达，近日在美国亚特兰大举行的超级计算大会 SC24 上，积极表达了对量子领域的关注。英伟达首席执行官 Jensen Huang 以及负责加速计算部门的高级副总裁 Ian Buck 亲自宣布将与谷歌、IonQ 开展合作。合作形式是利用英伟达的 CUDA-Q 技术，为解决量子错误问题提供计算支持。这种方式表明，强调量子霸权的量子阵营实际上也承认需要超级计算机的支援。如果没有使用强大图形处理器（GPU）的超级计算机，要在短期内设计出精确的量子计算机将十分困难。

◇量子计算机与超级计算机的融合＝传统超级计算机通过大规模并行处理来执行复杂运算，而量子计算机则利用量子力学特性，对特定问题进行颠覆性求解。目前性能最强的超级计算机是劳伦斯利弗莫尔国家实验室的“El Capitan”，其算力可达每秒 1.73 百亿亿次浮点运算（1.73 ExaFLOPS），目前全球没有任何计算机比它更快。但量子计算机在加密、新药开发、气候建模等特定领域，具备超越超级计算机的潜力，因此二者的互补可能性正日益受到关注。