中型量子计算（NISQ）时代的全球竞争

光子盒研究院出品

作为对前苏联1957年发射第一颗人造地球卫星的直接反应，以及由此导致的恐惧（潜在的军事用途），美国国防部在1958年组建了ARPA（高级研究计划局，DARPA前身）。ARPA的宗旨是“保持美国的技术领先地位，防止潜在对手意想不到的超越”。

这个只有200人的机构，却是美国的“技术引擎”，许多重大思想创新、技术创新和装备创新都孵化于此。

当年ARPA成立后的第一个项目就是全球定位系统（GPS），而20世纪最伟大的发明之一——互联网（Internet）的前身就叫ARPA网，是由ARPA在1968年组建的计算机网，并在第二年正式联机，是互联网诞生的标志。

如今，DARPA已成为量子计算的最大支持者之一，目前资助了多个研究团队，并且启动了嘈杂中型量子器件优化（ONISQ）计划，DARPA挑选了7个研究团队，利用NISQ设备和高达3500万美元的潜在资金进行优化研究。

NISQ，是嘈杂中型量子（Noisy Intermediate-Scale Quantum）的简称。拥有50-100量子比特、以及高保真量子门的计算机，便可称为NISQ计算机。

ONISQ计划旨在解决一个关键问题：在人们拥有容错量子计算机之前，如何最大程度地从量子中挤出价值（Squeezing Quantum Value）？

NISQ时代

建造一台性能优于经典计算机的量子计算机可能是本世纪的重大挑战之一。在达到这一水平之前，必须处理一些关键问题。其中最重要的一个问题是噪声导致的退相干，人们可以使用纠错算法校正退相干，但是挑战在于操作一个容错量子位可能需要数千个物理量子位。

由于量子纠错成本极高，所以容错量子计算机的时代还相当遥远，目前量子计算正处在一个叫作“NISQ”的时代，这个概念由加州理工学院理论物理学家John Preskill在2017年12月5日的量子商业计算机大会上提出。

Preskill认为，人类在实现50-100量子比特的中型量子计算机后，也许就能执行超越当前经典数字计算机能力范围的任务（“量子霸权”），同时意味着人类即将进入一个量子技术发展的关键新时代，称其为嘈杂中型量子（NISQ）时代。

中型（Intermediate-Scale）指量子比特大概在50到几百这个范围，而嘈杂（Noisy）指所能操作的量子位仍然很不稳定，噪音比较严重。典型的NISQ是谷歌的Sycamore，它有53个量子比特，而且在量子比特控制方面噪音很大。

Preskill强调“我们正进入一个量子技术新时代”的同时，也表示我们不应指望NISQ本身改变世界，相反，它应被视为将来量子技术发展壮大迈出的重要一步。研究人员应该继续为更准确的量子门而努力，并最终实现完全容错的量子计算。

2020年2月，德勤（Deloitte）发布的《量子技术与国家安全指南》将量子计算的发展分为三个阶段，即模拟量子计算机、嘈杂中型量子技术（NISQ）、完全纠错的量子计算机。

模拟量子计算机：与绝热量子计算机、量子退火机和直接量子模拟器最为相关，这些类型的量子系统是迄今为止最发达的系统之一。因为它们降低噪声的能力较低（这会损害量子比特的质量），所以它们的功能目前仅限于更简单和更具体的用例。

嘈杂中型量子技术（NISQ）：NISQ被描述为量子计算的下一个发展方向。虽然NISQ不太可能完全取代模拟量子计算机，但NISQ系统更能容忍噪声，这意味着它只需要较少的量子比特来实现商业应用。虽然噪声改善是NSIQ系统的一个设计特点，但噪声仍会对这些系统施加限制。

完全纠错的量子计算机：通过使用特别设计的算法和额外的量子比特，模拟了一个无噪声的系统。因为它们需要额外的量子比特来修正噪声产生的误差，系统开发更具挑战性，比模拟或NISQ系统更具商业可行性。一个完全纠错的系统将能够解决各种复杂的问题和模拟。

2019年10月，谷歌宣布设计了一个53量子比特的系统，代号Sycamore，这意味着量子计算进入了NISQ时代。不过量子计算的应用，仍在探索阶段。

Preskill认为NISQ时代包含11个应用方向：量子优化、量子硬件测试、量子退火、抗噪量子回路、量子深度学习、量子矩阵求逆、量子推荐系统、量子半定规划、量子模拟、量子游戏……

DARPA的挑战

当说起“嘈杂”（Noisy）时，我们想到的是笨重、嘎嘎作响的垃圾堆，“中型”可能会被误解为“不够好”。但DARPA希望科学家们不要再把NISQ当作一辆旧车，而更像是一辆速度型的跑车，它将引领汽车工业全面发展，同时也能成为强大的工具。

为了在完全容错的量子计算机进入实用化之前利用量子信息处理，DARPA在2020年2月27日通过其官网宣布推出“嘈杂中型量子器件优化”（ONISQ）项目，旨在寻求一种混合概念，将中等规模量子器件与经典系统相结合，以解决一组特别具有挑战性的问题，即组合优化。ONISQ项目旨在通过在解决优化挑战中超越经典系统的性能来展示量子信息处理的定量优势。

ONISQ项目将建立NISQ处理器在解决现实世界的组合优化问题上的效用。预计到该项目结束时，将建立一条解决与国防部有关问题的明确途径。这将通过以下方式实现：

开发具有足够大数量的量子比特和电路深度的量子处理器；

在NISQ硬件中实现混合变分优化算法，并充分描述其性能；

通过对所选问题的最新经典优化算法进行基准测试来证明量子优势；

量子优势可以表现为例如通过近似比衡量的更好的近似解，或更好的时间/能量与解的比例；

识别组合优化中可能产生最大影响的混合变分方法的问题实例族，并制定解决大型优化问题的策略。

量子退火方法被明确排除在考虑范围之外。

ONISQ项目为期48个月，由两个独立但相关的技术领域（TA）组成。TA1的工作将涉及硬件开发、理论支持和量子优势演示。TA2的重点是发展理论基础，以证明量子优势的现实世界的组合优化问题。

该项目分为两个阶段：

第一阶段（18个月）——TA1研究人员将在中等规模或性能的NISQ硬件中实现量子优化算法的原理验证实现，并对算法进行初步表征。TA2的研究人员将为NISQ器件的量子优化奠定理论基础。

第二阶段（30个月）——TA1研究人员将在扩大的NISQ硬件中充分描述优化算法，解决组合优化问题，并对照最佳经典方法执行基准测试。TA2研究人员将提供理论证明，即混合量子方法比最好的经典方法更适合于解决现实世界的组合问题。

5月11日，DARPA通过其官网宣布，已经选择了七个大学和工业团队参与ONISQ项目的第一阶段。

在TA1，选择以下研究团队来演示验证量子器件中的混合量子/经典优化算法，以解决特定的组合优化问题：

佐治亚理工学院应用研究公司（Georgia Tech Applied Research Corporation）

大学空间研究协会（Universities Space Research Association, USRA）

哈佛公司（Presidents & Fellows of Harvard College）

ColdQuanta, Inc.（量子计算初创公司）

在TA2下选择了以下研究团队，以开发通用理论方法，为量子优化范例铺平道路，该范例超越了某些组合优化问题的最佳经典方法：

田纳西大学（University of Tennessee）

克莱姆森大学（Clemson University）

里海大学（Lehigh University）

ONISQ项目预算为3500万美元，TA1的两个阶段的合同价值总计为3230万美元，TA2的两个阶段的合同价值总计为360万美元。

量子硬件公司Rigetti Computing也为ONISQ项目提供了技术支持，今年3月，DARPA已为Rigetti、NASA量子人工智能实验室和USRA的量子优化研究团队提供860万美元的奖励。（USRA是应美国宇航局的要求，在美国国家科学院的赞助下于1969年成立的。）

Rigetti团队将提供硬件，而NASA/USRA团队将专注于算法。NASA/USRA团队还将根据高性能经典解决方案对算法进行基准测试，以便确定何时实现量子优势。在某些领域，团队将共同研究硬件/软件权衡，以提高算法的整体性能。

DARPA将利用Rigetti公司的Fab-1（美国唯一一家专门的量子集成电路铸造厂）来制造规模超过100量子比特的芯片。

很大一部分的理论基础工作是由NASA完成的。今年5月，NASA的研究人员为量子优势建立了一个新的基于能源的基准，并表明，在执行特定任务时，NISQ计算机使用的能源比世界上最强大的超级计算机少几个数量级。

NASA艾姆斯研究中心的Salvatore Mandré等人计算了NISQ和传统超级计算机解决RQC问题所需的能量。他们设计了一个名为qFlex的程序，并相信这将是最有效的量子模拟器。

另一家公司ColdQuanta, Inc.也获得了DARPA高达740万美元的资助，开发一个可扩展的、基于冷原子的量子计算硬件和软件平台，可以在现实世界问题上展示量子优势。

ColdQuanta的量子核™这项技术使用激光将原子冷却到接近绝对零度，并且可以以可扩展的方式使用单个原子作为量子位，所有这些都不需要低温制冷。

ColdQuanta有众多的合作伙伴，包括威斯康星大学麦迪逊分校、雷神技术公司、阿贡国家实验室、芝加哥大学、美国国家标准与技术研究院NIST、科罗拉多大学博尔德分校、因斯布鲁克大学和塔夫茨大学。

第一阶段结束，包括USRA、ColdQuanta在内的TA1将完成量子优化演示的目标，9个月设计一个N∙p>100的混合量子/经典优化器，18个月在N∙p>100的混合NISQ优化器中实现选定的变分算法，并描述其性能。其中N是量子比特数，p是变分协议中参数化量子算符的交替应用数。

我们需要NISQ吗

随着谷歌、IBM推出50量子比特以上的中型量子计算机，美国已经进入NISQ时代，同时DARPA的ONISQ项目旨在加快NISQ的商业应用，但绝非没有竞争者。如今，欧洲也在努力研制NISQ计算机。

2019年英国国家量子技术计划提出，下一代通用量子处理器将基于NISQ，NISQ处理器将能够使用相对较少的量子比特数（约100–200）来解决化学、材料科学、金融和物流等领域的重要现实问题（而不是1万-10万个可扩展设备的量子位）。所做的妥协是，NISQ处理器不使用（或非常有限的）纠错，只在问题最适合的部分使用量子硬件。

英国现在已经在达累斯伯里实验室的Hartree中心安装了一个ATOS量子模拟器，使社区能够研究新的量子软件模拟方法，作为这一领域的准备步骤。

英国计划建设国家量子计算中心（NQQC），该项目由英国研究与创新公司（UK Research and Innovation）在五年内资助9300万英镑。总共有17所大学和132家公司参与其中。

该中心将建在牛津南部的牛津大学哈维尔校区，建设预算为3000万英镑，校园内已有足够的电力供应和其他基础设施。

牛津仪器公司（Oxford Instruments）的量子主管Michael Cuthbert博士被任命为NQQC的主任，英国原子武器研究所（AWE）的首席计算科学家Ash Vadgama被任命为运营部副主任。牛津大学量子技术教授Simon Benjamin是研究部副主任，创新英国公司（Innovate UK）量子技术创新主管Simon Plant博士是创新部副主任。

NQQC计划在2021年建成运行，该中心旨在支持英国对量子计算的研究，并将学术研究纳入英国量子计算产业的创建和发展中；帮助加快相关硬件和软件的开发，以支持英国量子产业和更广泛的终端用户群体的发展。

一旦中心建成，英国将在2025年前开发出一个NISQ计算机。

目前，包括中国、欧洲、日本在内，都没有一台至少50量子比特的NISQ计算机，与美国存在差距。IBM、谷歌都有50量子比特以上的设备，同时IBM拥有世界上最多数量的量子计算机，截至目前共有22台，其中德国和日本各1台，但达不到50量子比特的标准。

国内从事量子计算研究的企业不多，但也取得了一定成果。比如，2020年1月，量旋科技发布了全球首台桌面型核磁共振量子计算机（2比特）“双子座”，可实现量子计算所需的所有要素——初态制备、量子逻辑门及测量，可实现多种量子计算算法。“双子座”随机搭载的量子计算软件和量子计算教案为量子计算教学提供了一套整体解决方案。

国内量子计算的代表企业本源量子也成功研制国内唯一的半导体二比特量子处理器玄微XW B2-100与XW S2-200，平均相干时间小于20纳秒。以及第一代超导六比特量子芯片夸父KF C6-130，具备高达99.7%的单量子逻辑门保真度，与当前国际同类水平（99.94%）仅有一步之遥。在此基础上，本源量子将尽快推出量子计算机。

此外，国仪量子的金刚石量子计算教学机也成功走入大学实验室。

当前国内还没有一台NISQ计算机，但也不代表我们已经远远落后于美国。虽然美国在制造NISQ设备方面已经取得了一些成功，不过目前还没有NISQ应用程序优于在经典计算机上运行的应用程序。

现在国内有一种声音是，我们要追随美国的脚步去做NISQ的研究，比如，腾讯量子实验室郑亚锐表示：“我们真的实现100万个量子比特之前，可能要去做NISQ的研究，也就是100到1000个量子比特规模的应用，我们需要有一些原型机来启发和加速我们的研究。”

但国际上还有另一种示范，比如硅谷初创企业PsiQ希望跳过NISQ阶段，开发一种大型线性光学量子计算机（LOQC），以光子为量子位，大约五年内将有100万个量子比特成为该公司的首个上市产品。如果能够实现，这将是一个重大突破。

那么，对于中国而言，NISQ是必经之路，还是需要另辟蹊径？欢迎在留言区发表观点。

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1930年秋，第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开。早有准备的爱因斯坦在会上向玻尔提出了他的著名的思想实验——“光子盒”，公众号名称正源于此。