神秘的谷歌量子计算总部,竟然这么酷?

神秘的谷歌量子计算总部,竟然这么酷?

深度探秘谷歌量子计算总部,内含多图

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位于美国加州海边的圣塔芭芭拉市有着丰富的文化艺术氛围。同时,它也是美国最顶尖的研究型理科院校之一,加州大学圣塔芭芭拉分校 (UCSB) 的所在地。

 

而这里,也是谷歌量子 AI 实验室 (Quantum AI  Campus) 的新家。

 

在这里,一群来自全世界最优秀的工程师、量子力学研究者、艺术家和自然科学家正在共同协作。他们的目标,是从量子力学的角度,实现继算盘、经典计算机、机器学习之后的一次计算技术重大突破。

 

计算技术的进步,让人类的生活工作效率大大提升,但在基础科学研究领域,研究者已经不在满足于基于硅半导体的经典计算机了。一些超级重度依赖计算的任务,比如为全球级别的气候变化进行精准建模,或探究全新复合材料的结构,即使用最先进的超级计算机,也需要几年-几万年不等的时间,而如果采用量子计算,可能只需要小时甚至分钟级别的用时。研究量子计算,不仅能够解决目前经典计算无法解决的问题,还能够让人类距离探清宇宙最基础原理更进一步,对于大自然的运转获得更深的了解。

 

这便是谷歌在下一个十年时间里,全力投入量子计算基础研究的真实动机。

美国时间11月10日,硅星人有幸参与了一次谷歌圣塔芭芭拉量子计算总部的“虚拟”探访,和谷歌量子计算团队的主任工程师、研究科学家等进行了深入交流。

神秘的谷歌量子计算总部,竟然这么酷?

图片来源:Google

 

 

|计算、自然科学、人文和艺术融合的“车库”

 

和经典计算不同,量子计算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,因而会天然存在错误的情况。了解这些,你或许会以为,一座专门研究量子计算的实验室,一定是像电影里那种存放机密的实验室一样,层层把守,密不透风,位于地下,到处是混凝土墙和法拉第笼,以求排除一切干扰。

 

然而谷歌的量子计算总部,却和我们想象的千差万别。这里反而更像是硅谷创业故事当中,那种车库创业的氛围。不仅如此,谷歌 Quantum AI Lab 到处都充斥着一种前卫艺术厂房的风格。

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以上图片来源:Google

当然,毕竟这还是一座研究量子计算的机构,室内的各种艺术品当中,也不乏以量子处理器/计算机为原型的照片和绘画。

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以上图片来源:Google

 

就连最核心、最神秘的量子计算机,到了谷歌这里,也反倒成了“艺术装置”。

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图片来源:Google

这种对于室内装潢的选择,让谷歌量子 AI 实验室的视觉氛围更加轻松活泼。员工在这里,或许也会更有创造力吧?

实际上,“创造力”正是这支团队最重视的东西。

谷歌量子 AI 实验室主任工程师兼谷歌圣塔芭芭拉办公室负责人 Erik Lucero 表示:这支队伍的创造力,不仅限于科学层面,而是科学家和艺术家的两种创意方式的结合。只有这样融合的创造力,才能够帮助团队实现发明未来的目标。

 

团队里的研究科学家兼量子电路工程师Marissa  Giustina表示大家虽然都是来搞量子计算的,但量子计算这门学问,目前仍然非常早期,也没有一个固定的方向,所有人都是在做尝试。因而在此阶段,能够引入各行各业的顶尖人才,进行思维的碰撞,尤为重要。

这种团队组建的思路,代表着谷歌目前对于量子计算的认识,以及对于这支团队的要求——不仅限于短期的、数字层面的目标,比如增加计算机的量子位数,比竞争对手更早实现更高级别的量子霸权等等。

谷歌专注于长期的目标,因为量子计算终究还是要造福于人类,解决一些人类面临的更大规模、更长远的难题,比如找到气候变化的答案、探究新的材料科学以解决人类饥荒问题等。

想要解决这些难题,需要的不仅仅是计算科学和量子力学专家,而是需要更多人文、艺术的专家们在一起激情脑暴。

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Marissa Giustina 在实验室里工作   图片来源:Google

 

谷歌量子 AI 实验室的选址定在风景优美的圣塔芭芭拉,背后也有一些更加深刻的原因。

 

据 Lucero 介绍,首先,圣塔芭芭拉拥有全美最优秀的研究型院校加州大学圣塔芭芭拉分校。而这所大学的超算研究和应用部门,在全美是绝对领先的。比如,著名数学家、菲尔兹奖得主 Michael Freedman,就是加州大学圣塔芭芭拉分校的教授,同时也是该校和微软合办的量子计算研究小组 Station Q 的负责人。

 

因此,从超级计算/量子计算的人才密集性来看,谷歌将量子 AI 实验室设在这里是非常明智的选择。Lucero 表示,圣塔芭芭拉“这里有很多优秀的人才。当地也非常欢迎我们。谷歌在这里能够很好地和当地的学术和研究社区进行融合。”

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图片来源:UCSB

 

Lucero 还讲述了另一个选择圣塔芭芭拉的原因:

 

“这里的自然风光优美。在这里生活和工作,我们能够感受到一种与自然的连接。而量子计算也是这样,它和我们的大自然的基本原理,有着千丝万缕的联系。”换言之,在这里从事量子计算研究,团队成员们能够更加容易地从周围的自然环境中获得启发,提升创造力,有助于实现更多在今天看来“不可能”的突破。

 

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图片来源:Jordan Siemens

 

|揭秘谷歌量子计算机

来到谷歌量子 AI 实验室,硅星人有两个最想看的东西,一个是办公室里面的样子,另一个,当然就是谷歌的量子计算机本身了。

 

量子计算机,其实和我们一般理解的计算机有非常大的差别。一般的个人计算机,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,大到桌面机箱,小到巴掌大小的手机都可以装下。而量子计算机,尺寸都是非常巨大的。

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图片来源:谷歌

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机架的尺寸示意    图片来源:谷歌

在讨论量子计算机的时候,很多图片都会显示下面这样一个看起来非常精密的仪器。

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图片来源:谷歌

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低温恒温器/放大器部件的尺寸示意   图片来源:谷歌

 

其实,上面这个东西主要是一个低温恒温器外加信号放大器。这个装置从上到下温度不断降低,到了最下面的量子处理器,温度接近于绝对零度。

 

恒温器上还安装了很多的模拟信号电路,用于控制量子处理器,并且将处理器里量子位传出的信号进行放大、编码,转换成常规的数字信号。

 

此外,在恒温器的旁边,你还能看到一架看起来像上古时代服务器一样的设备——其实这就是量子处理器的 "操作系统"。

 

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这些硬件,也是谷歌量子 AI 实验室团队自行研发和组装起来的。通过这些设备,团队才能够对量子处理器进行操控,对其输入任务,读取其处理的结果等等。

 

能耗方面,Giustina 表示,按照团队在2019年进行的一次计算测试来看,如果同一任务采用经典的超级计算机,功率是在兆瓦级别的,而且需要多年才能完成,而采用当时谷歌的量子计算设备,功率只有25千瓦,并且只用了几十分钟就完成了。

 

在量子计算机上,制冷部分是耗能大户。因为谷歌的量子计算系统采用的是超导量子位,为了尽量减少热造成的干扰,整个系统的运行温度在10毫开尔文以内(零下273.15 到 .14℃之间)。

 

Giustina 表示,在量子计算机上工作最烦的就是这玩意的噪音真的很大。“噌、噌、噌一样的声音,一直不停的响,非常吵。可以把它想象成一个噪音巨大的大冰箱,你不会想要放在家里的。”

也正是因此,Giustina 表示,团队估计在未来,就算量子计算机可以正式商用,提供给普通人使用,也应该不会是本地部署的,而是通过类似于云服务的方式提供,安置在数据中心里。

 

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图片来源:谷歌

Lucero 倒是不太介意噪音。他甚至把量子计算机比喻成一个音乐播放器。因为它的工作原理,就是控制器将信号通过模拟脉冲信号的方式,穿过一层又一层,绵延数英里长度的线路,发送给量子处理器,

“就像放音乐给量子位听一样。” Lucero 说道。

 

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谷歌牌量子MP3,酷吗?   图片来源:谷歌

 

那么,负责神机妙算的量子处理器,又是怎样的一个神秘设备呢?谷歌开发的量子处理器 Sycamore,从封装后的外观上,和普通的CPU确实有那么点像。在下图中,我们看到的其实是封装好 Sycamore 量子处理器,你可以把它理解为“主板”。

真正的量子芯片,封装在中间印有“Google”字样的封盖下面。

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旁边大量的金属管实际上是同轴电缆接头,和机架/恒温器里的模拟信号电路进行连接,从而对 Sycamore 进行控制和状态读取。

 

Sycamore 量子处理器的封盖设计也是非常独特的。封盖由多层组成,其中一层的材质是超导铝合金,涂成了黑色,用于遮盖住漏进来影响量子位工作的光,还有另一的材质是镍铁合金,可以屏蔽电磁干扰。

 

这是封盖拆开的样子:

 

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而真正的量子计算芯片,大约长这样:

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芯片大小示意,面积150平方毫米,接近一张邮票的大小:

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这块谷歌的量子计算芯片,采用的也是多层结构:布线层和量子位层。

 

下图显示的是布线层。其主要功能是在电子控制系统和量子位之间进行信号的传输和读取。这一层和实际的量子位层是分开的,中间有隔离装置,目的就是为了避免信号在布线层传输对量子位层造成干扰。

 

值得提及的是,虽然量子计算机和传统计算机架构完全不同,但芯片用的材料其实一样。比如布线层也是从硅晶圆上切下来的,线路则使用裸露的金属线。

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然后就是计算真正发生的地方——量子位层。这一层上,谷歌用最先进的半导体封装技术在芯片上安装了数十个量子位。量子位层的基底是覆有超导铝合金涂层的硅晶圆,配合布线层专门的设计,使得谷歌团队可以单独控制每一个量子位。

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量子位是量子计算的基本单元,采用超导材料制造。架构其实非常简单,由电感器和电容器组成。下图为一个量子位的显微镜扫描示意图,其尺寸大约为10平方微米,宽度和一根头发相近。

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至于一块 Sycamore 芯片上具体的量子位数量,之前谷歌公开宣称的是53个(总数是54个,但剩下的那一个无法工作)。但据 Lucero 对硅星人透露,目前团队已经成功封装出了超过54个可操作量子位的新芯片。

 

谷歌也对外公开了其在量子计算上面的路线图:

 

1/ 证明“量子优越性”

 

在2019年,谷歌通过 Sycamore 处理器宣布实现了量子优越性,也即量子计算机在处理实际任务上性能优于经典计算机。尽管在当时,这一宣称备受质疑,但谷歌仍然坚信,他们的成绩已经代表人类量子计算进入了 NISQ(Noisy, Intermediate Scale Quantum 嘈杂中型量子)的时代。

 

在 NISQ 时代,即便在当时所有量子计算机所用的量子位有着极高的错误率和太短的稳定时间,无法进行长时间计算,人们仍然可以利用这样的系统,并且通过研发更好的纠错系统,来优化现有量子计算机的性能,提高其可用性。

而谷歌拥抱 NISQ 时代,面临最大的、必须要克服的挑战,就是提高量子纠错能力。

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图片来源:谷歌

 

2/ 扩大系统的量子位规模,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上实现了重大突破。当时谷歌在《自然》上发表了论文,展示了其如何使用逻辑量子位和稳定回路,让计算错误随着量子位数量的提升而降低,最终的纠错能力达到了之前业界顶尖水平的100倍。

虽然这一次,谷歌在纠错上的进展仍然业界评价为”不切实际“,但谷歌团队认为,这次的进展只是展示了一种纠错的方法,虽然在今天可能不切实际,但在未来或许有可能被用于开发能够稳定纠错的量子计算机。

3/ 实现纠错逻辑量子位

 

在证明量子纠错后,将其扩展到一个足够大规模的系统,从而证明大规模构建纠错逻辑量子位是可行的。

4/ 将两个逻辑量子位(由1000个物理量子位构成)平铺在一起组成量子晶体管。

5/ 用量子晶体管的方式,将整个系统的物理量子位数量扩展到十万个

6/ 形成一个完整的量子纠错计算机。

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Erik Lucero  图片来源:谷歌

 

谷歌保守估计,十年内或许可能实现纠错逻辑量子位。至于开发出真正完整、可用的,带有纠错能力的量子计算机,没准要到本世纪末才有可能。

 

考虑到谷歌这几年的重金投入,以及已经实现的突破,或许在我们有生之年,真的能拿看到圣塔芭芭拉,看到谷歌量子 AI 实验室成为量子计算技术关键突破的 "Ground Zero"。也许未来的某一天,通过量子计算,我们将增进对于自然、宇宙法则的认识,实现人类智慧的范式转移。

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