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谷歌服务器框架-神秘的谷歌量子计算总部这么酷?

位于美国加利福尼亚海岸的圣巴巴拉,有着浓郁的文化艺术氛围。同时,它也是美国顶尖研究型科学学院之一加州大学圣巴巴拉分校 (UCSB) 的所在地。

这里也是谷歌量子人工智能实验室(AI)的新家。

在这里,一群来自世界各地的最优秀的工程师、量子力学研究人员、艺术家和自然科学家正在共同努力。他们的目标是从量子力学的角度实现继算盘、经典计算机和机器学习之后计算技术的又一次重大突破。

计算技术的进步极大地提高了人类生活和工作的效率,但在基础科学研究领域,研究人员已不再满足于基于硅半导体的经典计算机。一些严重依赖计算的任务,例如对全球气候变化的精确建模,或探索新型复合材料的结构,甚至使用最先进的超级计算机,都需要数年到数万年不等的时间。如果使用量子计算谷歌服务器框架,可能只需要几个小时甚至几分钟。对量子计算的研究不仅可以解决目前经典计算无法解决的问题,而且可以使人类进一步探索宇宙最基本的原理,更深入地了解自然界的运行。

这是谷歌在未来十年全力投入量子计算基础研究的真正动力。

美国时间11月10日,硅谷之星有幸参加了谷歌圣巴巴拉量子计算总部的“虚拟”访问,并与谷歌量子计算团队的首席工程师和研究科学家进行了深入交流.

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计算、自然科学、人文与艺术融合的“车库”

与经典计算不同,量子计算的核心单元是处于纠缠态的粒子,极易受到电磁、热、宇宙射线的干扰,自然会出现误差。知道了这一点,你可能会想,一个专门从事量子计算的实验室,一定像电影里那种秘密实验室,层层把守,密不透风,位于地下,到处都是水泥墙和法拉第笼。为了排除一切干扰。

然而,谷歌的量子计算总部与我们想象的大不相同。反而更像是硅谷创业故事中车库创业的氛围。不仅如此, AI Lab 处处都充满着前卫的艺术工坊风格。

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当然,这毕竟是研究量子计算的机构。在房间里的各种艺术品中,还有基于量子处理器/计算机的照片和绘画。

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即使是最核心、最神秘的量子计算机,也成为了谷歌的“艺术装置”。

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这种室内装饰的选择,让谷歌量子人工智能实验室的视觉氛围更加轻松活泼。这里的员工也可能更有创意?

其实,“创意”才是这个团队最看重的。

谷歌量子人工智能实验室总工程师、谷歌圣巴巴拉办公室负责人埃里克表示:这个团队的创造力不仅限于科学层面,而是科学家和艺术家两种创造性方法的结合。只有这样的创意融合,才能帮助团队实现创造未来的目标。

团队中的研究科学家和量子电路工程师表示:虽然大家都是来做量子计算的谷歌服务器框架,但量子计算的科学还很早,没有固定的方向。每个人都在努力。 因此,现阶段能够引进各行各业的顶尖人才,进行思想碰撞就显得尤为重要。

这种团队组建思路代表了谷歌目前对量子计算的理解以及对这个团队的要求——不限于短期的数字化目标,比如增加计算机的量子比特,与竞争对手相比实现更高水平的量子更早的霸权等等。

谷歌着眼于长远目标,因为量子计算终究还是要造福人类,解决人类面临的一些更大规模、更长期的问题,比如寻找气候变化的答案,探索新材料科学解决人类饥荒问题等

要解决这些问题,需要的不仅仅是计算科学和量子力学方面的专家,还需要更多人文和艺术方面的专家,一起充满激情和头脑风暴。

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谷歌量子人工智能实验室在风景秀丽的圣巴巴拉选址背后有一些更深刻的原因。

据介绍,首先,圣巴巴拉拥有美国最好的研究型大学,加州大学圣巴巴拉分校。这所大学的超级计算研究与应用系在美国绝对领先。比如著名数学家、菲尔兹奖获得者是加州大学圣巴巴拉分校教授,学校与微软联合组织的量子计算研究组Q的负责人。

因此,从超算/量子计算的人才强度来看,谷歌将量子人工智能实验室落户这里是一个非常明智的选择。说圣巴巴拉“这里有很多杰出的人才。当地人也非常欢迎我们。谷歌可以很好地与当地的学术和研究社区融合在一起。”

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这也说明了选择圣巴巴拉的另一个原因:

“这里的自然风光很美。在这里生活和工作,我们可以感受到与自然的联系。量子计算也是如此,它与我们自然的基本原理密不可分。换句话说,通过参与在这里的量子计算研究中,团队成员可以更轻松地从周围的自然环境中获得灵感,增强创造力,帮助实现今天“不可能”的更多突破。

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秘密谷歌量子计算机

来到谷歌量子人工智能实验室, Stars最想看到的有两件事,一是办公室里的样子,二当然是谷歌的量子计算机本身。

量子计算机实际上与我们通常理解的计算机有很大的不同。一般的个人电脑,包括主板、中央处理器、显卡、硬盘、运行内存、输入输出设备等主要部件,大到台式机壳,小到手掌大小的手机都可以安装。量子计算机的体积非常庞大。

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在讨论量子计算机时,很多图片都会展示一种非常复杂的仪器,如下所示。

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其实上面这个东西主要是一个低温恒温器加一个信号放大器。该器件的温度从上到下不断下降,到最低的量子处理器,温度接近绝对零。

恒温器上还安装了很多模拟信号电路,用于控制量子处理器,并将处理器中量子位的信号放大、编码、转换成常规的数字信号。

此外,在恒温器旁边,你还可以看到一个看起来像古代服务器的设备——其实这就是量子处理器的“操作系统”。

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这些硬件也是由 AI Lab 团队开发和组装的。通过这些设备,团队可以控制量子处理器、向其输入任务、读取其处理结果等。

在能耗方面,根据团队在2019年进行的一项计算测试,如果用一台经典的超级计算机来完成同样的任务,功率将在兆瓦级,需要很多年才能完成。量子计算设备功率仅为25千瓦,仅需数十分钟即可完成。

在量子计算机上,制冷部分是耗能大户。由于谷歌的量子计算系统采用超导量子位元,为了尽量减少热量带来的干扰,整个系统的工作温度在 10 毫开尔文(负 273.15 至 0.14°C)以内。

说在量子计算机上工作最烦的就是这个东西的噪音真的很大。 “听起来像咯咯咯咯咯咯咯咯咯咯咯咯响的声音很吵你可以把它想象成一个吵闹的大冰箱,你不想把它放在家里。”

也正是因为如此,团队估计,未来,即使量子计算机能够正式商业化并提供给普通人,也不应该部署在本地,而是通过类似于放置在云端的云服务来提供。在数据中心。

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我不介意噪音。他甚至将量子计算机比作音乐播放器。因为它的工作原理是控制器将信号通过模拟脉冲信号,一层又一层地送到量子处理器,绵延数里。

“这就像为量子比特播放音乐。”说。

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那么,负责魔法计算的量子处理器究竟是一种什么样的神秘装置呢?谷歌开发的量子处理器从封装的外观来看,有点像普通的CPU。下图中,我们看到的其实是一个封装好的量子处理器,可以理解为“主板”。

真正的量子芯片封装在中间印有“”的盖子下。

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旁边的大量金属管实际上是同轴电缆连接器,它们连接到机架/恒温器中的模拟信号电路,以控制和读取状态。

量子处理器的封面设计也很独特。盖子由多层组成,一层由超导铝合金制成,涂黑色以覆盖漏入并影响量子比特工作的光,另一层由镍铁合金制成,可以屏蔽电磁波浪。干扰。

盖子是这样打开的:

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真正的量子计算芯片长这样:

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芯片尺寸如图,面积150平方毫米,接近邮票大小:

这块谷歌的量子计算芯片也采用了多层结构:布线层和量子位层。

下图显示了布线层。它的主要功能是在电子控制系统和量子位之间传输和读取信号。该层与实际的量子位层分开,中间有一个隔离装置,目的是防止布线层中的信号传输对量子位层造成干扰。

值得一提的是,虽然量子计算机和传统计算机架构完全不同,但芯片所用的材料其实是一样的。例如,布线层也是从硅片上切下来的,布线使用的是裸金属线。

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然后才是真正进行计算的地方——量子比特层。在这一层,谷歌采用最先进的半导体封装技术,在芯片上安装了数十个量子比特。量子位层的基础是覆盖有超导铝合金涂层的硅片,布线层的特殊设计让谷歌团队可以单独控制每个量子位。

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量子位是量子计算的基本单位,由超导材料制成。架构其实很简单,由电感和电容组成。下图是一个量子比特的显微镜扫描示意图,其大小约为10平方微米,宽度与头发差不多。

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至于一个芯片上的具体量子比特数,谷歌此前公开公布了53个(总数是54个,但剩下的一个不能工作)。但根据 Stars 的说法,该团队已经成功封装了超过 54 个具有可操作量子位的新芯片。

还公开披露了其量子计算路线图:

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1/“量子优越性”的证明

2019年,谷歌宣布通过处理器实现量子优势,即量子计算机在处理实际任务时的性能优于经典计算机。尽管这一说法在当时受到质疑,但谷歌仍然坚信他们的成就代表了人类量子计算进入了 NISQ(Noisy,Scale Noisy )时代。

在 NISQ 时代,即使当时所有量子计算机所使用的量子比特具有极高的错误率和太短的稳定时间,无法进行长期计算,人们仍然可以使用这样的系统并开发更好的纠错系统来优化现有量子计算机的性能并提高其可用性。

在 NISQ 时代, 面临着必须克服的最大挑战,那就是提高其量子纠错能力。

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2/ 扩大系统的量子比特规模,实际证明量子纠错的可行性。

今年7月,谷歌宣布在量子纠错方面取得重大突破。当时,谷歌在《自然》上发表了一篇论文,展示了它是如何利用逻辑量子位和稳定循环随着量子位数量的增加来减少计算错误的,最终纠错能力达到了之前行业顶级水平的 100 倍。 .

虽然这一次谷歌在纠错方面的进展仍被业界评价为“不切实际”,但谷歌团队认为,这一进展只是展示了一种纠错方法,虽然可能与今天无关未来可用于开发具有稳定纠错能力的量子计算机。

3/ 实现纠错逻辑量子位

证明量子纠错后,将其扩展到足够大规模的系统,证明大规模构建纠错逻辑量子位是可行的。

4/ 两个逻辑量子位(由 1000 个物理量子位组成)拼接在一起形成一个量子晶体管。

5/ 使用量子晶体管将整个系统的物理量子比特数扩展到100,000

6/ 组成完整的量子纠错计算机。

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谷歌保守估计,十年内实现纠错逻辑量子比特是有可能的。至于研制出真正完整可用的具有纠错能力的量子计算机,可能要到本世纪末才能实现。

考虑到谷歌近几年的巨额投入和取得的突破,或许在我们有生之年,我们真的可以看到圣巴巴拉,看到谷歌的量子人工智能实验室成为量子计算技术的关键突破。 “零”。或许在未来的某一天,通过量子计算,我们将增加对自然和宇宙规律的理解,实现人类智慧的范式转换。

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您喜欢这次参观谷歌量子人工智能实验室总部吗?你想看更多吗?欢迎通过留言与人/品湾分享您的意见和意见。

*注:封面图片来自时代,版权归原作者所有。如果您不同意使用,请尽快与我们联系,我们将立即删除。

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