量子計算競爭格局將在2018年繼續升溫。 從整體來看， 如今量子計算的狀態看起來很像50年前的半導體晶片行業。
基於矽的積體電路(IC)在1968年進入了 “中規模”集成階段。 電晶體計數在短短幾年內從一個晶片上的十個電晶體膨脹到一個晶片上的數百個電晶體。 過了一段時間， 數千個， 然後是幾萬個， 現在——50年之後——有數百億。
量子計算是量子物理學的一個實際應用， 它利用單個亞原子粒子作為計算元素， 將其冷卻到毫開爾文溫度。 這些亞原子計算元素稱為“量子位元”（量子比特）。 量子位元可以用CMOS技術製造， 比如標準的IC。 但是， 在量子電腦極其寒冷的操作環境中， 若要進行相互連接、控制和感測器電路來操作和協調越來越多的量子位元， 需要發展新的科學和技術。
▲IBM 16-qubit處理器(來源:IBM)
量子計算目前正處於量子位只有兩位數的時代。 2017年， 我們看到了一個擁有20個通用物理量子位元的晶片， 而在2018年， 我們估計會看到超過50個通用量子位元的晶片。 但第一個面向大眾市場的通用量子電腦至少需要由數千個邏輯量子位元組成。 邏輯量子位元是容錯的， 具有錯誤檢測和最終糾錯。 成千上萬的邏輯量子位元會轉化成至少十倍的物理量子位元，
▲IBM的量子電腦I/O子系統， 用於在一個毫開爾文液氦浴中獲取電信號(來源:TIRIAS研究)
事實上， 從數十到數百個物理量子位元的進化可能需要一段時間;從數百到數千將需要更長的時間。
以下， 將為大家介紹目前為止量子計算的進展。 以此為參考， 我們能夠在未來一年裡更清楚地認識到量子計算的進步。
在量子系統之下
IBM和Rigetti都引入了可用於公共和有限訪問的通用基於雲的量子電腦(分別為20和19個量子位元系統)， 每個都有一個完整的軟體開發套件(devkit)。 NTT推出了基於雲的量子點和基於光子學的架構， 並使用了它的全棧devkit。 微軟和穀歌推出了他們的通用量子計算研發項目，
D-Wave和NTT實現了2,048個物理量子位， 不過它們使用完全不同的技術來實現， 而且它們的系統沒有顯示出完全通用的量子計算能力。 它們的架構適用於解決優化、分子動力學、甚至深度學習訓練和推理任務等問題。
▲D-Wave量子計算晶片(來源:TIRIAS研究)
量子計算模擬
模擬數十個物理量子位元需要大量的“傳統”計算能力，相當於當今最先進的基於IC的計算、記憶體、存儲和網路架構。這些“類比機器”的運行速度可能比它們類比的量子電腦要慢得多，研究人員實際上可以建立像他們目前模擬的那樣大的真實系統。
上周，來自Julich超算中心、武漢大學和 荷蘭格羅寧根大學的一組研究人員成功地模擬了一個46量子位元的通用量子電腦。這一模擬打破了美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室4月份創下的45量子位元的記錄。今年7月，美國哈佛-麻省理工學院(Harvard-MIT Center for Ultracold atom)和加州理工學院(California Institute of Technology)的一個團隊模擬了51量子比特量子電腦，但它是為了解決一個特定的方程式，而不是通用模擬。去年11月，馬里蘭大學和美國國家標準與技術研究所(NIST)的一個團隊在53量子位模擬器上發表了一篇論文，旨在解決一個具體的問題。
與此同時，在雲計算中，IBM在一個經典的超級電腦上類比了一個56量子位元的通用系統。微軟的新量子開發套件支援在其Azure雲上模擬“超過40個量子位”，其本地基於PC的模擬可以擴展到16 GB記憶體中的大約30個量子位。我不得不懷疑微軟Azure的量子計算模擬是否與它最近與Cray的合作關係有關。Rigetti的基於雲的Forrest模擬器可以模擬多達36個量子位。穀歌的Quantum Playground 可以模擬多達22個量子位。
通用晶片
IBM在2017年末推出了它的20-qubit晶片，它是IBM Q Network 發佈的基石。IBM表示已經在內部測試了一個50量子位元晶片。IBM Q Network 的參與者可以訪問新的20量子位元系統，並且隨著它的進展，他們將能夠儘早訪問50量子位元晶片。英特爾在10月份向其合作夥伴QuTech交付了一個17量子位元的測試晶片，並於2018年初在消費電子展(CES)上展示了一個49量子位元晶片。Rigetti本周宣佈它的19量子位元晶片可用於雲訪問(訪問需要得到Rigetti的批准)。Rigetti的晶片是一個20量子位元架構，其中一個量子位元有一個製造缺陷，它緊隨IBM之後。穀歌已經在內部測試了6個、9個和20個量子位元晶片，並且正在開發一個49量子位元晶片，該晶片將在2017年底前交付使用，但並沒有達到這個發佈時間。
▲Rigetti 20量子位元晶片(左)，穀歌6量子位元晶片 (中)，英特爾49量子位元晶片(右)(來源:
Atos說它的40量子位模擬器基於英特爾的Xeon處理器，但專用硬體加速器“即將問世”。這並不新奇，因為IBM正在內部使用其Power系統在開發過程中類比量子電腦。
量子軟體發展
在軟體方面，開源是非常關鍵的，研究人員在過去的幾十年裡一直在開源他們的內部量子計算開發環境。
今年，IBM開放了它的QASM (Quantum ASseMbler)，這是IBM QISKit(量子資訊套裝軟體)的一個重要組成部分。XACC (EXtreme scale ACCelerator)介面到Rigetti的模擬器和原型晶片，以及D-Wave的生產系統。QuTiP (Python的量子工具箱)是一種開源的量子計算模擬器，在很多量子計算硬體社區中使用(對阿裡巴巴、亞馬遜、谷歌、霍尼韋爾、IBM、英特爾、微軟、Northrup Grumman、Rigetti和RIKEN都在其網站上出現)。據推測，QuTiP正被用於類比正在開發的硬體架構。谷歌與Rigetti合作開發了開源OpenFermion，這是一個用於編譯和分析量子化學問題的套裝軟體。而微軟則推出了Q# (Q-sharp)量子計算語言。相關的軟體還有很多，這裡不再一一贅述。
關於中國
中國今年剛宣佈成立了一個100億美元的國家量子資訊科學實驗室，計畫於2020年完成建設。不過中國企業在量子計算商業化方面的突破性成果相對較少，阿裡巴巴、百度和騰訊等都在人工智慧和深度學習方面投入了大量資金，但很少聽到在量子計算方面有大量投入的，希望在今年能聽到更多他們關於量子計算的消息。
未來
實現量子計算商業化，我們還有很長的路要走。途中，可能某個企業/組織會有一些暫時的優勢，但隨著大量投資進入量子計算研發領域，任何一個競爭對手的短期量子優勢都會在沒有持續、長期的研發和商業化戰略的情況下轉瞬即逝。
如今的量子計算領域一片繁榮，在2018年，我們可能會看到50或更多量子位元的通用系統。我們可能還會看到一些更專門化的系統，擁有超過2000個物理量子位，在解決某一範圍內的問題時突出量子計算的重大優勢。
▲D-Wave量子計算晶片(來源:TIRIAS研究)
量子計算模擬
模擬數十個物理量子位元需要大量的“傳統”計算能力，相當於當今最先進的基於IC的計算、記憶體、存儲和網路架構。這些“類比機器”的運行速度可能比它們類比的量子電腦要慢得多，研究人員實際上可以建立像他們目前模擬的那樣大的真實系統。
上周，來自Julich超算中心、武漢大學和 荷蘭格羅寧根大學的一組研究人員成功地模擬了一個46量子位元的通用量子電腦。這一模擬打破了美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室4月份創下的45量子位元的記錄。今年7月，美國哈佛-麻省理工學院(Harvard-MIT Center for Ultracold atom)和加州理工學院(California Institute of Technology)的一個團隊模擬了51量子比特量子電腦，但它是為了解決一個特定的方程式，而不是通用模擬。去年11月，馬里蘭大學和美國國家標準與技術研究所(NIST)的一個團隊在53量子位模擬器上發表了一篇論文，旨在解決一個具體的問題。
與此同時，在雲計算中，IBM在一個經典的超級電腦上類比了一個56量子位元的通用系統。微軟的新量子開發套件支援在其Azure雲上模擬“超過40個量子位”，其本地基於PC的模擬可以擴展到16 GB記憶體中的大約30個量子位。我不得不懷疑微軟Azure的量子計算模擬是否與它最近與Cray的合作關係有關。Rigetti的基於雲的Forrest模擬器可以模擬多達36個量子位。穀歌的Quantum Playground 可以模擬多達22個量子位。
通用晶片
IBM在2017年末推出了它的20-qubit晶片，它是IBM Q Network 發佈的基石。IBM表示已經在內部測試了一個50量子位元晶片。IBM Q Network 的參與者可以訪問新的20量子位元系統，並且隨著它的進展，他們將能夠儘早訪問50量子位元晶片。英特爾在10月份向其合作夥伴QuTech交付了一個17量子位元的測試晶片，並於2018年初在消費電子展(CES)上展示了一個49量子位元晶片。Rigetti本周宣佈它的19量子位元晶片可用於雲訪問(訪問需要得到Rigetti的批准)。Rigetti的晶片是一個20量子位元架構，其中一個量子位元有一個製造缺陷，它緊隨IBM之後。穀歌已經在內部測試了6個、9個和20個量子位元晶片，並且正在開發一個49量子位元晶片，該晶片將在2017年底前交付使用，但並沒有達到這個發佈時間。
▲Rigetti 20量子位元晶片(左)，穀歌6量子位元晶片 (中)，英特爾49量子位元晶片(右)(來源:
Atos說它的40量子位模擬器基於英特爾的Xeon處理器，但專用硬體加速器“即將問世”。這並不新奇，因為IBM正在內部使用其Power系統在開發過程中類比量子電腦。
量子軟體發展
在軟體方面，開源是非常關鍵的，研究人員在過去的幾十年裡一直在開源他們的內部量子計算開發環境。
今年，IBM開放了它的QASM (Quantum ASseMbler)，這是IBM QISKit(量子資訊套裝軟體)的一個重要組成部分。XACC (EXtreme scale ACCelerator)介面到Rigetti的模擬器和原型晶片，以及D-Wave的生產系統。QuTiP (Python的量子工具箱)是一種開源的量子計算模擬器，在很多量子計算硬體社區中使用(對阿裡巴巴、亞馬遜、谷歌、霍尼韋爾、IBM、英特爾、微軟、Northrup Grumman、Rigetti和RIKEN都在其網站上出現)。據推測，QuTiP正被用於類比正在開發的硬體架構。谷歌與Rigetti合作開發了開源OpenFermion，這是一個用於編譯和分析量子化學問題的套裝軟體。而微軟則推出了Q# (Q-sharp)量子計算語言。相關的軟體還有很多，這裡不再一一贅述。
關於中國
中國今年剛宣佈成立了一個100億美元的國家量子資訊科學實驗室，計畫於2020年完成建設。不過中國企業在量子計算商業化方面的突破性成果相對較少，阿裡巴巴、百度和騰訊等都在人工智慧和深度學習方面投入了大量資金，但很少聽到在量子計算方面有大量投入的，希望在今年能聽到更多他們關於量子計算的消息。
未來
實現量子計算商業化，我們還有很長的路要走。途中，可能某個企業/組織會有一些暫時的優勢，但隨著大量投資進入量子計算研發領域，任何一個競爭對手的短期量子優勢都會在沒有持續、長期的研發和商業化戰略的情況下轉瞬即逝。
如今的量子計算領域一片繁榮，在2018年，我們可能會看到50或更多量子位元的通用系統。我們可能還會看到一些更專門化的系統，擁有超過2000個物理量子位，在解決某一範圍內的問題時突出量子計算的重大優勢。