德国总理居然是个博士，揭秘欧洲最强量子计算系统

　　导读：
　　1. 德国的量子计算之旅
　　2. 德国的量子计算生态系统
　　3. 解决量子人才短缺问题
　　4. 远程建造一台量子计算机
　　5. 提前做好量子准备
　　6. 进一步分析
　　正文：
　　2019年9月10日，IBM和德国弗劳恩霍夫应用研究促进协会 (以下简称＂弗劳恩霍夫协会＂) 宣布，IBM和弗劳恩霍夫协会将合作帮助德国推进量子研究和实验。为此，IBM将在德国安装IBM Q System One (以下简称＂IBM量子系统一号＂) 量子计算机。
　　2021年4月12日，弗劳恩霍夫协会宣布，第一个安装在欧洲的IBM量子系统一号，现已安装在了斯图加特附近的IBM设施内，可供弗劳恩霍夫协会及其合作伙伴使用。
　　图1｜德国的量子计算之旅现场 (来源：IBM)
　　2021年6月15日，IBM和弗劳恩霍夫协会举办了名为＂德国的量子计算之旅＂的在线节目活动，在德国总理安格拉·默克尔博士、德国联邦教育与研究部部长Anja Karliczek和德国联邦参议院议员Winfried Kretschmann的见证下，IBM和弗劳恩霍夫协会的领军人物正式向公众公布了IBM量子系统一号，该系统拥有27个量子比特，是目前欧洲最强大的系统。
　　1. 德国的量子计算之旅
　　为了证明这次会议对欧洲的重要性，德国总理默克尔在IBM首席执行官兼董事长Arvind Krishna博士的开幕式演讲后也发表了演讲。另外，议程上还有其他几位来自政界和学术界的高级别发言人。不仅如此，在活动开始时，德国总理默克尔承诺将在两年内投资6.5亿欧元 (约合人民币50亿元)。
　　图2｜德国总理安格拉·默克尔博士 (来源：IBM)
　　从2019年9月宣布合作，到2021年4月完成安装，以及仅限弗劳恩霍夫协会及其合作伙伴使用，现在正式向公众公布。IBM与德国之间合作的进展，证明IBM的量子生态系统发展得更为强壮。同时，随着＂最强系统＂的落地，也将盘活德国的量子生态。
　　这是科技巨头之间的强强联合。弗劳恩霍夫协会是世界领先的应用研究机构之一，成立于1949年，目前在德国设有75个研究所和研究机构。其29000名员工中，大多是科学家和工程师。
　　弗劳恩霍夫协会的年度研究预算为28亿欧元 (约合人民币217亿元)，由合同研究组织提供资金。弗劳恩霍夫协会将使用IBM量子系统一号来研究和发展化学、优化和机器学习。该协会并非初次接触量子领域，其量子计算能力中心已经在多个研究所开展量子研究。
　　图3｜弗劳恩霍夫协会 (来源：QuantumHermit)
　　2. 德国的量子计算生态系统
　　早在2020年，为了刺激整体经济发展，德国政府首次宣布，他们已拨出专款用于开发量子计算机，同时制定了一个路线图，以建立一个更广泛的量子生态系统。
　　德国立法者注意到，大型跨国公司和其他国家正在建设技术和社区，他们希望确保德国，以及更广泛的欧洲，能够在技术的发展中获得更大的利益。
　　今年，德国启动了＂量子计算路线图＂计划 (Roadmap Quantencomputing)，为德国的量子计算生态系统奠定基础。德国政府的目标是在五年内构造出一台极具竞争力的量子计算机，并在该领域建立一个公司网络，以开发尖端应用。
　　图4｜德国＂量子计算路线图＂ (来源：quanten technologien)
　　路线图委员会的联合主席Filipp认为制定路线图可以帮助发现并确定问题，规划技术发展，同时也吸引了更多的量子专业人员前往德国乃至欧洲。除此之外，路线图还为学生、技术人员和其他专家的劳动力培训提供了一个战略。
　　路线图委员会很清楚，就目前来看，量子领域内没有任何一个玩家能够独自引领方向，因此路线图优先考虑在量子领域的各个环节之间建立联系。
　　路线图委员会特别强调了商业发展和技术转移的重要性，需要确保公司可以从当地企业购买零部件，而非依靠进口途径。
　　德国已拨出20亿欧元 (约合人民币156亿元) 以实现这一愿景。但建立量子计算生态系统不仅仅在于硬件，它需要研究机构、产业界、政府，以及最重要的是社区之间的合作。
　　其实，德国的量子社区相当活跃。各个城市的大学、公司和研究机构都在开展量子研究，而这些组织也同包括弗劳恩霍夫协会、德国航空太空中心 (DLR)、马克斯·普朗克学会、德国亥姆霍兹国家研究中心联合会在内的多个机构建立了紧密的联系。
　　虽然无法完全将德国量子领域的复杂程度描述得十分详尽，但该领域所有的进展都在引导德国朝着一个目标前进：成为欧洲量子的领导者。
　　图5｜德国的量子生态系统 (来源：IBM Qiskit)
　　3. 解决量子人才短缺问题
　　回到弗劳恩霍夫协会的新IBM量子计算机上面来。这台保护黑闪闪的新机器所使用的玻璃门由保护卢浮宫蒙娜丽莎的玻璃制成。玻璃门后是一个圆筒状结构，里面是27量子比特的IBM Falcon处理器，IBM最先进的量子处理器。
　　它保持在比外太空更冷的温度下，其量子比特的相干时间很长，以及约1020瓦的精确、低噪操作。
　　尽管弗劳恩霍夫协会是美国以外第一个拥有IBM量子系统一号的地方，但在过去十年中，人们对量子技术的兴趣一直在稳步增长。
　　除IBM外，许多科技巨头也在该领域取得了进展。总体而言，全球量子技术市场可能很快就会达到近220亿美元 (约合人民币1409亿元)。
　　但问题是，尽管在研究和研究本身上的投资很重要，但光有投资是不够的，量子计算机的发展与其大规模商业化之间，存在着脱节。
　　图6｜量子计算商业化 (来源：Science|Business)
　　现阶段，只有小部分企业在做量子准备。绝大多数公司仍然没有足够的劳动力来使用量子计算机，无法进行任何形式的量子编程，甚至不知道量子计算机可以如何帮助他们。而且量子在职培训也几乎为零，企业也很少雇佣有量子计算技能的员工。
　　这就是为什么像IBM和弗劳恩霍夫协会这样的合作关系是至关重要的，但也不是非得买台量子计算机才能访问量子计算机。
　　目前，在IBM的量子网络中有150个组织，包括研究实验室、初创公司、大学和企业，这些组织都通过云访问IBM的量子计算机。不过，在场所内拥有一台量子计算机有助于在本地处理更多数据。
　　几周前刚刚上线测试的弗劳恩霍夫协会系统一号已经在努力工作了，以量子优化为重点，德国的研究人员正在探索储能系统材料的新的模拟方法。
　　当地人员正在研究的另一个项目是更好地优化金融资产组合，改善能源供应基础设施的稳定性参数。他们甚至打算利用量子计算机来突破量子机器学习深度学习的极限。
　　4. 远程建造一台量子计算机
　　这台令人屏息的量子计算机的安装过程并不顺利，受2019新冠疫情影响，IBM量子计算机的装配工作不得不通过远程方式进行。
　　IBM量子系统部署负责人Chris Lirakis表示，2019年10月时他有机会在现场直接与当地设计团队交流，让每个人都参与进来，从电工到水管工，并详细地向相关人员介绍部署工作。他认为只有通过肢体语言的交流，才能将文化和语言的差异都考虑进去。
　　然而，Lirakis的计划出了岔子。
　　疫情意味着美国的团队不能飞往德国，因此，IBM人员不得不采用NASA启发的远程装配技术，将这场疫情下的远程工作实践发挥到极致。
　　图7｜IBM德国团队装配过程 (来源：IBM)
　　在6000多公里之外，美国团队与当地IBM开发实验室的德国工程师合作，安装了低温恒温器，一种专门的制冷系统，以及精密的IBM Falcon量子处理器。
　　起初，德国的IBM团队没有组装完整系统的经验。因此，Lirakis和他的同事为德国工程师们创建了一个深度量子装配教程。通过这种方式，德国的IBM团队把自己关在一个＂教室＂里，每天数小时，持续了数周的学习、装配过程。
　　而且在德国斯图加特的每天凌晨2点，美国团队必须与德国团队进行视频电话会议。突破了种种阻碍过后，他们取得了成功，量子计算机按照原计划于2021年1月上线了。
　　5. 提前做好量子准备
　　虽然该量子系统是为弗劳恩霍夫协会提供的，但协会以外的研究人员也可以将它用于民用研究和教育。使用该系统需要签订合同，并以月费为基础，按月付费可以在没有长期承诺的基础上为合作伙伴提供灵活性。
　　每增加一个新的研究人员，不论这个研究人员是通过实验室还是云来访问量子计算机，都有助于把量子人才的涓涓细流变成一股洪流，这对新兴的量子时代至关重要。
　　我们需要更多这样的合作，在研究人员和学生之间，创造多样化的量子劳动力，应对未来量子技术市场需求。
　　这里的关键在于＂多样化＂。使用量子计算机的科学家和学生不应该只是物理学家或程序员，一个成功的量子生态系统需要量子计算工程师、计算机科学家、技术人员、光学和光子学专家，甚至还需要经济学家、市场领导者和沟通者。
　　图8｜多样化量子人员 (来源：IBM Qiskit)
　　我们的确需要量子程序员来为不同领域的具体问题创建量子算法库，但我们也需要量子专家来进一步改进软件和硬件，以推进核心量子计算技术的发展。与此同时，我们更需要企业有足够的量子意识，意识到量子计算机将帮助他们大幅提高产出，并可能创造出他们今天无法创造的产品。
　　随着技术和生态系统的成熟，将创造出数以千计的新职位。我们需要解决当今量子人才短缺的问题，确保有足够多的人才来填补这一空缺。要在科技成熟之前，让世界做好准备，以获得最大的回报。
　　像IBM与弗劳恩霍夫协会这样的合作越多，越有助于量子产业的民主化，建立一个充满活力的量子计算生态系统，让世界做好量子准备，并开始塑造我们的量子未来。
　　6. 进一步分析
　　1) 弗劳恩霍夫协会的IBM量子系统一号是一个27量子比特、32量子体积的IBM Falcon处理器。目前，IBM的量子处理器涵盖5量子比特到65量子比特，IBM可能会在今年的某一天公布其127量子比特的IBM Eagle处理器；
　　2) 2020年9月15日，IBM发布了第一个长期量子发展路线图，展示了未来几年IBM的量子架构、硬件和量子比特数将如何改变。IBM计划将其目前的小规模嘈杂量子计算机发展成为中等规模1121量子比特的Condor量子处理器。一旦完成该目标，Condor很可能成为未来百万量子比特容错量子计算机的基石；
　　图9｜IBM第一版长期量子发展路线图 (来源：量子客)
　　3) 纠错仍是量子计算机扩大规模的主要障碍，要想实现纠错，需要大量具有良好保真度的量子比特。IBM所有的积极动向，包括扩大量子体积、增加量子比特数量，以及通过实验将T1相干时间增加9倍，都是在朝着纠错迈进。纠错还需要中间线路测量和动态线路，截至目前，只有IBM (低温超导) 和霍尼韦尔 (离子阱) 具备这两项功能；
　　4) 2021年2月4日，IBM升级了其硬件路线图，在初版的基础之上，扩展了未来应用时间表、新的Qiskit软件和开发者模块；
　　图10｜IBM第二版长期量子发展路线图 (来源：量子客)
　　5) 值得注意的是，用户可以免费访问IBM开源教育和培训材料，这有助于建立一个拥有三十多万名IBM Qiskit SDK用户的全球量子社区。
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