位于美國加州海邊的圣塔芭芭拉市有著豐富的文化藝術(shù)氛圍。同時(shí)，它也是美國最頂尖的研究型理科院校之一，加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校 (UCSB) 的所在地。
而這里，也是谷歌量子 AI 實(shí)驗(yàn)室 (Quantum AICampus)的新家。
在這里，一群來自全世界最優(yōu)秀的工程師、量子力學(xué)研究者、藝術(shù)家和自然科學(xué)家正在共同協(xié)作。他們的目標(biāo)，是從量子力學(xué)的角度，實(shí)現(xiàn)繼算盤、經(jīng)典計(jì)算機(jī)、機(jī)器學(xué)習(xí)之后的又一次計(jì)算技術(shù)重大突破。
計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，讓人類的生活工作效率大大提升，但在基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域，研究者已經(jīng)不在滿足于基于硅半導(dǎo)體的經(jīng)典計(jì)算機(jī)了。一些超級(jí)重度依賴計(jì)算的任務(wù)，比如為全球級(jí)別的氣候變化進(jìn)行精準(zhǔn)建模，或探究全新復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)，即使用最先進(jìn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)，也需要幾年-幾萬年不等的時(shí)間，而如果采用量子計(jì)算，可能只需要小時(shí)甚至分鐘級(jí)別的用時(shí)。研究量子計(jì)算，不僅能夠解決目前經(jīng)典計(jì)算無法解決的問題，還能夠讓人類距離探清宇宙最基礎(chǔ)原理更進(jìn)一步，對(duì)于大自然的運(yùn)轉(zhuǎn)獲得更深的了解。
這便是谷歌在下一個(gè)十年時(shí)間里，全力投入量子計(jì)算基礎(chǔ)研究的真實(shí)動(dòng)機(jī)。
美國時(shí)間11月10日，硅星人有幸參與了一次谷歌圣塔芭芭拉量子計(jì)算總部的“虛擬”探訪，和谷歌量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)的主任工程師、研究科學(xué)家等進(jìn)行了深入交流。
圖片來源：Google
和經(jīng)典計(jì)算不同，量子計(jì)算核心單元是處于糾纏態(tài)的粒子，極易受到電磁、熱、宇宙射線的干擾，因而會(huì)天然存在錯(cuò)誤的情況。了解這些，你或許會(huì)以為，一座專門研究量子計(jì)算的實(shí)驗(yàn)室，一定是像電影里那種存放機(jī)密的實(shí)驗(yàn)室一樣，層層把守，密不透風(fēng)，位于地下，到處是混凝土墻和法拉第籠，以求排除一切干擾。
然而谷歌的量子計(jì)算總部，卻和我們想象的千差萬別。這里反而更像是硅谷創(chuàng)業(yè)故事當(dāng)中，那種車庫創(chuàng)業(yè)的氛圍。不僅如此，谷歌 Quantum AI Lab 到處都充斥著一種前衛(wèi)藝術(shù)廠房的風(fēng)格。
以上圖片來源：Google
當(dāng)然，畢竟這還是一座研究量子計(jì)算的機(jī)構(gòu)，室內(nèi)的各種藝術(shù)品當(dāng)中，也不乏以量子處理器/計(jì)算機(jī)為原型的照片和繪畫。
以上圖片來源：Google
就連最核心、最神秘的量子計(jì)算機(jī)，到了谷歌這里，也反倒成了“藝術(shù)裝置”。
圖片來源：Google
這種對(duì)于室內(nèi)裝潢的選擇，讓谷歌量子 AI 實(shí)驗(yàn)室的視覺氛圍更加輕松活潑。員工在這里，或許也會(huì)更有創(chuàng)造力吧？
實(shí)際上，“創(chuàng)造力”正是這支團(tuán)隊(duì)最重視的東西。
谷歌量子 AI 實(shí)驗(yàn)室主任工程師兼谷歌圣塔芭芭拉辦公室負(fù)責(zé)人 Erik Lucero 表示：這支隊(duì)伍的創(chuàng)造力，不僅限于科學(xué)層面，而是科學(xué)家和藝術(shù)家的兩種創(chuàng)意方式的結(jié)合。只有這樣融合的創(chuàng)造力，才能夠幫助團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)發(fā)明未來的目標(biāo)。
團(tuán)隊(duì)里的研究科學(xué)家兼量子電路工程師MarissaGiustina表示：大家雖然都是來搞量子計(jì)算的，但量子計(jì)算這門學(xué)問，目前仍然非常早期，也沒有一個(gè)固定的方向，所有人都是在做嘗試。因而在此階段，能夠引入各行各業(yè)的頂尖人才，進(jìn)行思維的碰撞，尤為重要。
這種團(tuán)隊(duì)組建的思路，代表著谷歌目前對(duì)于量子計(jì)算的認(rèn)識(shí)，以及對(duì)于這支團(tuán)隊(duì)的要求——不僅限于短期的、數(shù)字層面的目標(biāo)，比如增加計(jì)算機(jī)的量子位數(shù)，比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手更早實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的量子霸權(quán)等等。
谷歌專注于長(zhǎng)期的目標(biāo)，因?yàn)榱孔佑?jì)算終究還是要造福于人類，解決一些人類面臨的更大規(guī)模、更長(zhǎng)遠(yuǎn)的難題，比如找到氣候變化的答案、探究新的材料科學(xué)以解決人類饑荒問題等。
想要解決這些難題，需要的不僅僅是計(jì)算科學(xué)和量子力學(xué)專家，而是需要更多人文、藝術(shù)的專家們?cè)谝黄鸺で槟X暴。
Marissa Giustina 在實(shí)驗(yàn)室里工作圖片來源：Google
將谷歌量子 AI 實(shí)驗(yàn)室的選址定在風(fēng)景優(yōu)美的圣塔芭芭拉，背后也有一些更加深刻的原因。
據(jù) Lucero 介紹，首先，圣塔芭芭拉擁有全美最優(yōu)秀的研究型院校加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校。而這所大學(xué)的超算研究和應(yīng)用部門，在全美是絕對(duì)領(lǐng)先的。比如，著名數(shù)學(xué)家、菲爾茲獎(jiǎng)得主 Michael Freedman，就是加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校的教授，同時(shí)也是該校和微軟合辦的量子計(jì)算研究小組 Station Q 的負(fù)責(zé)人。
因此，從超級(jí)計(jì)算/量子計(jì)算的人才密集性來看，谷歌將量子 AI 實(shí)驗(yàn)室設(shè)在這里是非常明智的選擇。Lucero 表示，圣塔芭芭拉“這里有很多優(yōu)秀的人才。當(dāng)?shù)匾卜浅g迎我們。谷歌在這里能夠很好地和當(dāng)?shù)氐膶W(xué)術(shù)和研究社區(qū)進(jìn)行融合?！?/p>
圖片來源：UCSB
Lucero 還講述了另一個(gè)選擇圣塔芭芭拉的原因：
“這里的自然風(fēng)光優(yōu)美。在這里生活和工作，我們能夠感受到一種與自然的連接。而量子計(jì)算也是這樣，它和我們的大自然的基本原理，有著千絲萬縷的聯(lián)系?！?/strong>換言之，在這里從事量子計(jì)算研究，團(tuán)隊(duì)成員們能夠更加容易地從周圍的自然環(huán)境中獲得啟發(fā)，提升創(chuàng)造力，有助于實(shí)現(xiàn)更多在今天看來“不可能”的突破。
圖片來源：Jordan Siemens
來到谷歌量子 AI 實(shí)驗(yàn)室，硅星人有兩個(gè)最想看的東西，一個(gè)是辦公室里面的樣子，另一個(gè)，當(dāng)然就是谷歌的量子計(jì)算機(jī)本身了。
量子計(jì)算機(jī)，其實(shí)和我們一般理解的計(jì)算機(jī)有非常大的差別。一般的個(gè)人計(jì)算機(jī)，包括主板、中央處理器、顯卡、硬盤、運(yùn)行內(nèi)存、輸入輸出設(shè)備等主要部件，大到桌面機(jī)箱，小到巴掌大小的手機(jī)都可以裝下。而量子計(jì)算機(jī)，尺寸都是非常巨大的。
圖片來源：谷歌
機(jī)架的尺寸示意圖片來源：谷歌
在討論量子計(jì)算機(jī)的時(shí)候，很多圖片都會(huì)顯示下面這樣一個(gè)看起來非常精密的儀器。
圖片來源：谷歌
低溫恒溫器/放大器部件的尺寸示意圖片來源：谷歌
其實(shí)，上面這個(gè)東西主要是一個(gè)低溫恒溫器外加信號(hào)放大器。這個(gè)裝置從上到下溫度不斷降低，到了最下面的量子處理器，溫度接近于絕對(duì)零度。
恒溫器上還安裝了很多的模擬信號(hào)電路，用于控制量子處理器，并且將處理器里量子位傳出的信號(hào)進(jìn)行放大、編碼，轉(zhuǎn)換成常規(guī)的數(shù)字信號(hào)。
此外，在恒溫器的旁邊，你還能看到一架看起來像上古時(shí)代服務(wù)器一樣的設(shè)備——其實(shí)這就是量子處理器的 "操作系統(tǒng)"。
這些硬件，也是谷歌量子 AI 實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)自行研發(fā)和組裝起來的。通過這些設(shè)備，團(tuán)隊(duì)才能夠?qū)α孔犹幚砥鬟M(jìn)行操控，對(duì)其輸入任務(wù)，讀取其處理的結(jié)果等等。
能耗方面，Giustina 表示，按照?qǐng)F(tuán)隊(duì)在2019年進(jìn)行的一次計(jì)算測(cè)試來看，如果同一任務(wù)采用經(jīng)典的超級(jí)計(jì)算機(jī)，功率是在兆瓦級(jí)別的，而且需要多年才能完成，而采用當(dāng)時(shí)谷歌的量子計(jì)算設(shè)備，功率只有25千瓦，并且只用了幾十分鐘就完成了。
在量子計(jì)算機(jī)上，制冷部分是耗能大戶。因?yàn)楣雀璧牧孔佑?jì)算系統(tǒng)采用的是超導(dǎo)量子位，為了盡量減少熱造成的干擾，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行溫度在10毫開爾文以內(nèi)（零下273.15 到 .14℃之間）。
Giustina 表示，在量子計(jì)算機(jī)上工作最煩的就是這玩意的噪音真的很大。“噌、噌、噌一樣的聲音，一直不停的響，非常吵。可以把它想象成一個(gè)噪音巨大的大冰箱，你不會(huì)想要放在家里的。”
也正是因此，Giustina 表示，團(tuán)隊(duì)估計(jì)在未來，就算量子計(jì)算機(jī)可以正式商用，提供給普通人使用，也應(yīng)該不會(huì)是本地部署的，而是通過類似于云服務(wù)的方式提供，安置在數(shù)據(jù)中心里。
圖片來源：谷歌
Lucero 倒是不太介意噪音。他甚至把量子計(jì)算機(jī)比喻成一個(gè)音樂播放器。因?yàn)樗墓ぷ髟?，就是控制器將信?hào)通過模擬脈沖信號(hào)的方式，穿過一層又一層，綿延數(shù)英里長(zhǎng)度的線路，發(fā)送給量子處理器，
“就像放音樂給量子位聽一樣?！?Lucero 說道。
谷歌牌量子MP3，酷嗎？圖片來源：谷歌
那么，負(fù)責(zé)神機(jī)妙算的量子處理器，又是怎樣的一個(gè)神秘設(shè)備呢？谷歌開發(fā)的量子處理器 Sycamore，從封裝后的外觀上，和普通的CPU確實(shí)有那么點(diǎn)像。在下圖中，我們看到的其實(shí)是封裝好 Sycamore量子處理器，你可以把它理解為“主板”。
真正的量子芯片，封裝在中間印有“Google”字樣的封蓋下面。
旁邊大量的金屬管實(shí)際上是同軸電纜接頭，和機(jī)架/恒溫器里的模擬信號(hào)電路進(jìn)行連接，從而對(duì) Sycamore 進(jìn)行控制和狀態(tài)讀取。
Sycamore 量子處理器的封蓋設(shè)計(jì)也是非常獨(dú)特的。封蓋由多層組成，其中一層的材質(zhì)是超導(dǎo)鋁合金，涂成了黑色，用于遮蓋住漏進(jìn)來影響量子位工作的光，還有另一層的材質(zhì)是鎳鐵合金，可以屏蔽電磁干擾。
這是封蓋拆開的樣子：
而真正的量子計(jì)算芯片，大約長(zhǎng)這樣：
芯片大小示意，面積150平方毫米，接近一張郵票的大?。?/p>
這塊谷歌的量子計(jì)算芯片，采用的也是多層結(jié)構(gòu)：布線層和量子位層。
下圖顯示的是布線層。其主要功能是在電子控制系統(tǒng)和量子位之間進(jìn)行信號(hào)的傳輸和讀取。這一層和實(shí)際的量子位層是分開的，中間有隔離裝置，目的就是為了避免信號(hào)在布線層傳輸對(duì)量子位層造成干擾。
值得提及的是，雖然量子計(jì)算機(jī)和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)架構(gòu)完全不同，但芯片用的材料其實(shí)一樣。比如布線層也是從硅晶圓上切下來的，線路則使用裸露的金屬線。
然后就是計(jì)算真正發(fā)生的地方——量子位層。這一層上，谷歌用最先進(jìn)的半導(dǎo)體封裝技術(shù)在芯片上安裝了數(shù)十個(gè)量子位。量子位層的基底是覆有超導(dǎo)鋁合金涂層的硅晶圓，配合布線層專門的設(shè)計(jì)，使得谷歌團(tuán)隊(duì)可以單獨(dú)控制每一個(gè)量子位。
量子位是量子計(jì)算的基本單元，采用超導(dǎo)材料制造。架構(gòu)其實(shí)非常簡(jiǎn)單，由電感器和電容器組成。下圖為一個(gè)量子位的顯微鏡掃描示意圖，其尺寸大約為10平方微米，寬度和一根頭發(fā)相近。
至于一塊 Sycamore 芯片上具體的量子位數(shù)量，之前谷歌公開宣稱的是53個(gè)（總數(shù)是54個(gè)，但剩下的那一個(gè)無法工作）。但據(jù) Lucero 對(duì)硅星人透露，目前團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功封裝出了超過54個(gè)可操作量子位的新芯片。
谷歌也對(duì)外公開了其在量子計(jì)算上面的路線圖：
1/ 證明“量子優(yōu)越性”
在2019年，谷歌通過 Sycamore 處理器宣布實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)越性，也即量子計(jì)算機(jī)在處理實(shí)際任務(wù)上性能優(yōu)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)。盡管在當(dāng)時(shí)，這一宣稱備受質(zhì)疑，但谷歌仍然堅(jiān)信，他們的成績(jī)已經(jīng)代表人類量子計(jì)算進(jìn)入了 NISQ（Noisy, Intermediate Scale Quantum 嘈雜中型量子）的時(shí)代。
在 NISQ 時(shí)代，即便在當(dāng)時(shí)所有量子計(jì)算機(jī)所用的量子位有著極高的錯(cuò)誤率和太短的穩(wěn)定時(shí)間，無法進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間計(jì)算，人們?nèi)匀豢梢岳眠@樣的系統(tǒng)，并且通過研發(fā)更好的糾錯(cuò)系統(tǒng)，來優(yōu)化現(xiàn)有量子計(jì)算機(jī)的性能，提高其可用性。
而谷歌擁抱 NISQ 時(shí)代，面臨最大的、必須要克服的挑戰(zhàn)，就是提高量子糾錯(cuò)能力。
2/擴(kuò)大系統(tǒng)的量子位規(guī)模，實(shí)際證明量子糾錯(cuò)的可行性。
今年7月，谷歌宣布在量子糾錯(cuò)上實(shí)現(xiàn)了重大突破。當(dāng)時(shí)谷歌在《自然》上發(fā)表了論文，展示了其如何使用邏輯量子位和穩(wěn)定回路，讓計(jì)算錯(cuò)誤隨著量子位數(shù)量的提升而降低，最終的糾錯(cuò)能力達(dá)到了之前業(yè)界頂尖水平的100倍。
雖然這一次，谷歌在糾錯(cuò)上的進(jìn)展仍然被業(yè)界評(píng)價(jià)為”不切實(shí)際“，但谷歌團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這次的進(jìn)展只是展示了一種糾錯(cuò)的方法，雖然在今天可能不切實(shí)際，但在未來或許有可能被用于開發(fā)能夠穩(wěn)定糾錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)。
3/ 實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)邏輯量子位
在證明量子糾錯(cuò)后，將其擴(kuò)展到一個(gè)足夠大規(guī)模的系統(tǒng)，從而證明大規(guī)模構(gòu)建糾錯(cuò)邏輯量子位是可行的。
4/ 將兩個(gè)邏輯量子位（由1000個(gè)物理量子位構(gòu)成）平鋪在一起組成量子晶體管。
5/ 用量子晶體管的方式，將整個(gè)系統(tǒng)的物理量子位數(shù)量擴(kuò)展到十萬個(gè)
6/ 形成一個(gè)完整的量子糾錯(cuò)計(jì)算機(jī)。
谷歌保守估計(jì)，十年內(nèi)或許可能實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)邏輯量子位。至于開發(fā)出真正完整、可用的，帶有糾錯(cuò)能力的量子計(jì)算機(jī)，沒準(zhǔn)要到本世紀(jì)末才有可能。
考慮到谷歌這幾年的重金投入，以及已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的突破，或許在我們有生之年，真的能拿看到圣塔芭芭拉，看到谷歌量子 AI 實(shí)驗(yàn)室成為量子計(jì)算技術(shù)關(guān)鍵突破的 "Ground Zero"。也許未來的某一天，通過量子計(jì)算，我們將增進(jìn)對(duì)于自然、宇宙法則的認(rèn)識(shí)，實(shí)現(xiàn)人類智慧的范式轉(zhuǎn)移。
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本文來自微信公眾號(hào)“硅星人”（ID：guixingren123），作者：光譜杜晨，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。
