德澳初创公司：五年内推出显卡大小的量子计算机

光子盒研究院出品

一台PC显卡大小的量子计算机？一家澳大利亚-德国初创公司表示，他们正在开发一种可能在五年内实现这一目标的技术。

当然，今天的量子计算机通常和大型机（占据一个房间）一样大。然而，初创公司Quantum Brilliance推出了一款面向市场的、基于金刚石的量子计算机，只有机架式服务器那么大。他们说，他们设想的显卡大小的设备到2026年可以安装在卫星、自动驾驶车辆上。

经典计算机通过开关晶体管来将数据符号化为1或0，量子计算机使用量子比特，由于量子物理的超现实性质，它们可以同时处于1和0的叠加状态。这实际上允许每个量子比特同时执行两个计算。

2个量子比特纠缠，可以同时进行2^2或4个计算；3个量子比特可以同时进行2^3或8个计算；以此类推。理论上，一台拥有300个量子比特的量子计算机可以在一瞬间完成比可见宇宙中原子更多的计算。

许多量子计算机存在一个缺点，它们需要比在太空中更低的温度以及复杂的系统来控制量子比特。因此，它们通常有大型机那么大，专门用于解决最困难和最棘手的问题，一些可以通过云在线访问。

现在Quantum Brilliance宣布他们已经开发了一种基于人造金刚石的商用量子计算机，可以在室温下工作。“它有台式电脑或者19英寸机架那么大，”Quantum Brilliance首席科学家Marcus Doherty说。

Quantum Brilliance金刚石量子计算机

Quantum Brilliance的技术基于金刚石中的缺陷——由一个氮原子和相邻的空位组成。这些所谓的“氮-空位(NV)色心”作为量子比特，金刚石有助于保护它们免受热干扰和磁性杂质的影响，从而使其在室温下运行。

“金刚石量子计算从2001年就开始了，”Doherty说。“直到2015年突破了几个量子比特的限制。Quantum Brilliance现在正在克服这个障碍。”

Quantum Brilliance的目标不是量子大型机，而是构建“量子加速器”，这是一种紧凑、鲁棒的量子计算机，类似于PC上的图形加速器。今年3月，Quantum Brilliance宣布将于6月在澳大利亚珀斯的Pawsey超级计算中心安装第一台量子加速器。

Doherty说：“相比于一台拥有多个量子比特的大型量子计算机，人们可以考虑多台小型量子计算机，这些计算机可能没有量子大型机那么多的量子比特，但仍然可以为选定的任务提供量子优势。”Pawsey超级计算中心量子先锋计划正在为这些量子计算机开发软件，他补充道。

第一代量子加速器只有5个量子比特。然而，“五年后，它将有50多个量子比特，且只有一张显卡那么大，”Doherty说。

值得一提的是，总部位于合肥的国仪量子推出了一款金刚石量子计算教学机，内有2个量子比特。

国仪量子金刚石量子计算教学机

谷歌声称实现了量子优势，其Sycamore量子计算机有53个量子比特，在短短200秒内完成了一项计算，该公司估计Summit超级计算机需要10000年。“我们预测，有14个量子比特，我们将能够在同一任务中超越台式计算机中的CPU处理器。”Doherty说。

Quantum Brilliance为其设备设想的一组应用包括它所谓的大规模并行量子计算，许多量子加速器一起处理一个问题。

例如，分子动力学模拟经常被用来发现新药，“量子比特数量相对较少的量子计算机，可以胜过超级计算机机架上的单个服务器——这是一个戏剧性的加速。”Doherty说。通过将许多这样的量子计算机加在一起，你就可以模拟一个复杂的化学系统，每个量子计算机模拟一个包含许多分子的复杂化学系统中的一个分子。

Quantum Brilliance的另一组应用包括移动量子加速器，该公司称之为边缘量子计算。

“假设你有一颗卫星，你想用它来进行图像或信号处理，”Doherty说。“卫星收集了大量的信号或图像，而星上通常没有足够的计算能力对这些数据进行预滤波或处理。由于通信链路有限，传输大量数据也是一个问题。量子计算机做得很好的一件事就是通过组合可能性进行排序，这正是图像和信号处理中的特征识别和特征跟踪。量子计算可以过滤卫星或其他受限环境（如自动驾驶车辆）上的工作流。”

涉及到自动驾驶车辆和其他自治系统，量子加速器“也可以支持决策”。Doherty说，“量子计算机非常擅长探索可能的事件序列，能识别出什么是最有可能和最危险的事件序列。因此如果你有一个神经网络或其他模拟器，可以分析当前的情况、模拟可能的未来，量子加速器可以通过搜索，找出最有可能和最危险的未来。”

边缘量子计算的另一个应用将涉及自然语言处理，“例如语音转换文本，”Doherty说。“目前将语音转换为文本的边缘设备存在很多错误，量子加速器有助于减少这些错误，因此在相同的时间范围内，你可以在精度上有一个阶跃变化。”

Doherty说：“边缘的另一个应用是医学成像，除了计算能力的限制之外，还有其他限制——例如，在通过云传输医疗信息时，隐私受到限制。你可以在现场安装一台量子计算机，用于核磁共振和CT扫描的图像处理。”

当运行只能量子计算机上运行的量子算法时，量子大型机的性能可能优于量子加速器。

然而，量子计算的许多应用实际上涉及量子计算机与经典计算机在所谓的混合量子算法上的合作。“在这些情况下，我们的量子加速器可能与经典计算机更深入地集成，这一事实可以减少两种不同类型计算机之间交换信息的总时间，从而超过单个量子大型机。”Doherty说。

文章链接：

https://spectrum.ieee.org/tech-talk/computing/hardware/nitrogen-vacancy-diamond-quantum-computer-accelerator-qubits-server-rack

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