小国也有量子梦：芬兰

光子盒研究院出品

对于芬兰政府来说，现在是时候开始为实现量子计算机实用价值的那一天做准备了。

芬兰经济事务部最近资助了芬兰国家技术研究中心(简称VTT)的一个创新项目，以建造该国第一台量子计算机。VTT聘请了本土初创公司IQM来帮助该项目，该项目于2020年底开始，将持续到2024年。

VTT归芬兰政府所有，是欧洲领先的研究机构之一。它在获取研究人员在一系列科学领域的知识并为产业做好准备方面发挥着至关重要的作用。政府坚信，让量子计算为产业做好准备的最好办法是建造一台工作正常的量子计算机。

VTT量子计划项目经理Himadri Majumdar说：“在量子技术方面，芬兰有一个独特的机会，那就是一个小国拥有整个价值链。其他国家在量子技术方面也拥有强大的生态系统，但几乎在所有情况下，他们都在研究许多不同的主题和许多不同的平台。芬兰研究人员几乎完全专注于超导量子比特方法，他们多年来一直使用这种方法并且非常了解。”

这不是芬兰第一次将量子技术从研究转向产业化。在量子传感器上，他们已经这样做了。自1980年代和1990年代以来，芬兰的衍生公司一直以超导量子干涉装置(Squids)的形式生产基于量子技术的传感器，这些装置已被商业化为脑成像系统的基本组件。芬兰初创公司还将太赫兹光谱和太赫兹成像商业化——用于太空应用和机场扫描仪的量子技术。

芬兰现在处于有利地位，可以在下一代量子设备和传感器中发挥重要作用——例如，原子钟缩小到更小尺寸并用于消费设备。鉴于芬兰在其他量子技术方面取得的成功，政府希望在量子计算机方面能走在前面。

“现在是我们为量子计算产业化奠定基础的正确时机。”Majumdar说。“去年年底，我们建造了一台五量子比特计算机。成功的最终衡量标准是在其上运行程序并对结果进行基准测试。我们正在开发软件堆栈，我们将在2022年初完成这项工作。”

我们不期望用五个量子比特解决任何实际问题。但该设备可以作为一个很好的概念证明。然后，项目团队将在2022年将计算能力扩大到20个量子比特，然后到2024年底扩大到50个量子比特，届时他们希望解决实际问题。

“我们认为21世纪20年代是建立基础的关键十年，”Majumdar说。“这就是制造更多量子比特的竞赛开始的时候。将有两条平行路径。第一条是我们已经开始的：构建具有大量NISQ(含噪声)量子比特的计算机。第二条路径，也将在这十年中采取，是寻找构建纯量子比特的方法——即没有噪声也不需要纠错的量子比特。”

为了协助建造量子计算机的项目，VTT选择了IQM，这是一家芬兰初创公司，成立于2019年，目前拥有140名员工。“我们充当系统集成商，”IQM首席执行官兼联合创始人Jan Goetz说。“我们的工作是将不同的组件整合起来，构建量子计算系统。”

他们使用的其中一个组件是芬兰公司Bluefors的低温系统，该系统源于芬兰在低温物理学方面的悠久研究历史。Bluefors成立于2008年，最终在量子计算领域找到了一席之地，现在是世界领先的低温系统供应商，用于将超导量子比特保持在非常接近绝对零度的温度。

IQM向VTT交付芬兰首台量子计算机

“自从我们今年建造了芬兰的第一台量子计算机以来，我们看到了其他一些初创公司的出现，”Goetz说。“Algorithmiq就是其中之一，Quanscient是另一家刚成立不久的公司。除此之外，芬兰以外的几家公司在这里看到了机会，现在已经成为当地生态系统的一部分。通过本土初创公司和外国公司的本地子公司的结合，我们现在拥有一个围绕量子计算形成的良好组织生态系统。”

虽然世界上几乎所有工业化国家都将量子计算视为一项战略技术，但芬兰尤其适合采用这一新范式。政府希望通过投资来增加优势——一些当地公司和研究机构也受益于欧盟的举措，以及现在流入芬兰以利用该国技能组合的风险资本。

研究和教育生态系统也在萌芽，并计划雇用更多的科学家和教授。VTT、阿尔托大学和赫尔辛基大学是名为InstituteQ的研究社区的创始成员，该社区专注于开发世界级的量子专业知识并帮助企业利用量子计算。

芬兰人敏锐地意识到芬兰永远不可能成为硅谷。经济规模还不够大。因此，芬兰初创公司从一开始就知道他们必须准备好出口产品和服务——这就是芬兰本土公司在世界市场上如此强大的原因。

“至于IQM，我们希望成为超级计算中心和能够负担得起自己的量子计算机的公司的主要供应商，”Goetz说。“作为系统集成商，我们提供完整的系统。但当然，该系统将不仅仅包含IQM组件。

“我们自己建造了心脏，即量子处理器，然后是一些控制电子设备和部分软件。软件最好用固件堆栈来描述，但其余的我们都只是组装。“他说。“我们从Bluefors购买低温设备，我们购买电缆，我们购买放大器。然后我们把它们放在一起。”

IQM为5量子比特原型制造了量子比特，并将继续开发50量子比特计算机，预计这将是一个可以解决实际问题的工作系统。IQM拥有自己的生产线，用于制造处理器，从裸硅晶圆开始。他们还使用了Otanano国家基础设施，该基础设施拥有北欧国家最大的研发洁净室，由VTT和阿尔托大学联合运营。

IQM量子芯片工厂

说明如何使用量子计算机的一种好方法是考虑谷歌地图如何找到最佳路径。这是一个计算量很大的问题。如果你在智能手机上提出此请求，则计算路径的不是你的智能手机。你的智能手机只会将问题传达给数据中心某处的服务器。路径是在一些功能强大的计算机上计算出来的，然后答案会传回你的手机。

未来量子计算服务可能会以这种方式提供给消费者，而大多数用户完全不知道其中涉及到什么。量子计算还将帮助使用类似模型进行研发的公司。想要寻找新材料的公司可以请求建模和模拟服务，这些服务的某些部分将由云中的量子计算机执行；其他的将由一台经典的计算机来完成。

IBM和其他公司已经在云端提供量子计算服务了。但这些服务只被研究人员使用，并且通常仅限于模拟量子计算。研究人员可以在模拟器上测试算法，而那些自己拥有一些量子比特的人可以将模拟器的结果与他们在原型量子计算机上得到的结果进行比较。

目前尚不清楚一个实用的系统将如何为应用程序开发人员和最终用户提供服务。一种方法是拥有特定的库——例如，可用于模拟新分子的化学库。应用程序开发人员只需访问这些库即可开发有助于公司进行研发的解决方案。在运行时，库将工作转移到执行该工作的超级计算中心。当超级计算中心接到一项任务时，它将进入量子计算机的部分与那些可以在经典计算机上更好地执行的部分分开。为此，它需要一个调度程序。

“人工智能算法已经出现了类似的情况，”Goetz说。“人们使用GPU来加速CPU集群。某些问题在GPU上运行得非常好，但在CPU上根本就不行。这些问题被分离并分配给适当的处理单元。

“当然，要拥有这些库，你需要将算法和编译器放在中间，而现在这是一个棘手的问题，”他说。“我们还没有到拥有大型通用量子计算机的地步，在这种计算机上，你只需要一种编译器就可以为标准架构编译所有内容。”

量子计算机不是通用的。编写程序需要了解给定设备的架构——包括量子比特的质量和它们之间的距离。相干性和保真度是最重要的考虑因素。

“假设在处理器上你有一些坏的量子比特，”Goetz说。“你想在计算中避免它们，让它们只做非常小的任务。将来，也许我们会在处理器和实际编译器之间建立一个反馈系统，这样编译器就可以生成适合计算机的程序。但就目前而言，我们仍处于需要亲自动手并将两个世界结合在一起的阶段。”

“为了帮助开发人员，我们正在构建一种提供标准软件接口的固件，”他说。“现在，我们正在集成到Google Cirq、IBM Qiskit和Atos QLM(量子学习机)。这是顶部的三个主要软件层。任何在这些层上运行软件的人都可以在我们的机器上运行。”

IQM量子计算机将在超算中心集成 

作为由芬兰经济事务部资助的项目的一部分，VTT的一个独立团队，即量子算法团队，正在开发用于量子计算机的算法。材料建模是他们正在研究的应用领域的一个例子。VTT打算举几个这样的例子来测试五量子比特系统上的算法，并将结果与模拟结果进行比较。

与许多其他试图构建实用量子计算机的组织一样，VTT正在研究两种广泛类型的应用。第一种是解决许多行业中存在的复杂优化问题，例如能源分配、过程控制和车队管理。二是比以前更准确、更有效地预测分子结构和性质，加速药物发现和新材料的开发。

“没有人知道量子计算的第一个实际应用是在金融、医学、材料科学还是其他领域，”Majumdar说。“但可以肯定的一件事是，它将迅速发展。”

“我们已经开始看到的一个趋势是，该技术的买家和最终用户(宝马、高盛和其他公司)倾向于创建一个由硬件公司、软件公司和他们自己作为用户的公司组成的三角关系。这个三角关系围绕特定用例开发了一个高度定制的解决方案。这种趋势将持续好几年，因为量子计算机非常具体，而且与机器无关的算法还有很长的路要走。一切都将在一开始就高度定制。”

尽管仍有很多未知数，但有一点很清楚：通过建立一个出口产品和专业知识的本地生态系统，芬兰很有可能成为欧洲应对来自美国和中国的量子计算技术挑战的一部分。

参考链接：

https://www.computerweekly.com/feature/Finland-moves-to-industrialise-quantum-computing

—End—

相关阅读：

光子盒将为中国境内的研究机构和企业提供一个免费的垂直招聘信息发布渠道，欢迎有需求的机构或企业直接联系光子盒。（微信：Hordcore）

你可能会错过：