IBM 公開其量子計(jì)算技術(shù)路線圖，量子處理器已達(dá)65位

2019 年 9 月 18 日，IBM 在紐約舉行了新量子計(jì)算中心開幕儀式，并推出全球首臺(tái) 53 位量子計(jì)算機(jī)。

2020 年 9 月 15 日，恰好過去一年，IBM 宣布了其量子計(jì)算技術(shù)路線圖，而這也是其首次公布未來量子計(jì)算硬件的規(guī)劃。

IBM 表示，正朝著在 2023 年年底前研制出超過 1000 位的量子處理器的目標(biāo)努力，有朝一日還將推出超過一百萬位的處理器。

量子計(jì)算機(jī)的核心

1969 年，人類克服了前所未有的技術(shù)阻礙，首次登上月球、創(chuàng)造歷史。時(shí)至今日，人類卻依舊無法自如地用計(jì)算機(jī)精確捕捉浩渺宇宙中最為精細(xì)的部分。

正如 IBM 所說：

如果把思維局限于我們所知道的計(jì)算世界中，建造一個(gè)能真正捕捉原子運(yùn)動(dòng)的裝置，用以解決我們這個(gè)時(shí)代最具挑戰(zhàn)性的問題，幾乎是天方夜譚。

但正如登月一般，研究人員的一個(gè)宏大目標(biāo)是：造出一臺(tái)能夠超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的大型量子計(jì)算機(jī)。

本質(zhì)上講，所謂量子計(jì)算就是將量子力學(xué)和計(jì)算理論結(jié)合，充分利用量子的疊加、糾纏、干涉等特性，展現(xiàn)出強(qiáng)大的計(jì)算能力。

而研制量子計(jì)算機(jī)，核心就是量子級(jí)計(jì)算機(jī)處理器，它能夠幫助量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行高速運(yùn)算、處理量子信息。

具體來講，量子處理器依靠基本粒子的數(shù)學(xué)運(yùn)算來擴(kuò)展計(jì)算能力，運(yùn)行的電路為量子電路，并非數(shù)字計(jì)算機(jī)的邏輯電路。用人造原子的電子量子態(tài)來表示數(shù)據(jù)，被稱為超導(dǎo)跨子量子位（superconducting transmon qubits），這些量子位通過微波脈沖序列連接和操縱，以便運(yùn)行量子電路。

但存在一個(gè)問題，由于與外界的相互作用，量子位很快就會(huì)忘記它們的量子態(tài)。

對(duì)此，IBM 表示：

我們團(tuán)隊(duì)當(dāng)前面臨的最大挑戰(zhàn)是，如何在錯(cuò)誤率較低的前提下，在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)控制這些量子位系統(tǒng)，從而保證未來量子應(yīng)用所需的復(fù)雜量子電路能夠正常運(yùn)行。

三年后推出 1121 量子位處理器

基于上述目標(biāo)與挑戰(zhàn)，IBM 向外公開了其量子計(jì)算技術(shù)路線圖。

目前，IBM 量子處理器已達(dá)到 65 位。

據(jù) IBM 稱，就在本月，量子團(tuán)隊(duì)向 IBM Q Network 成員發(fā)布了 65 位處理器，即「IBM量子蜂鳥」（IBM Quantum Hummingbird）?；谠撎幚砥?，8 個(gè)量子位的讀出信號(hào)可以合并成一個(gè)，讀出所需的布線、組件總量因而減少。

IBM 未來的大致計(jì)劃如下：

2021 年推出 127 位 IBM 量子鷹處理器（ IBM Quantum Eagle）

2022 年推出 433 位 IBM 量子魚鷹處理器（IBM Quantum Osprey ）

2023 年推出 1121 位 IBM 量子禿鷹處理器（ IBM Quantum Condor）

未來將推出超過一百萬位的處理器

值得一提的是，2023 年將推出的 IBM 量子禿鷹處理器將在前幾代處理器的基礎(chǔ)之上繼續(xù)降低關(guān)鍵的兩個(gè)量子位誤差，以便更好地運(yùn)行量子電路。

按照 IBM 的說法：

IBM 量子禿鷹處理器既是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，也是一個(gè)里程碑。這款處理器標(biāo)志著我們有能力進(jìn)行糾錯(cuò)、有能力擴(kuò)大量子設(shè)備規(guī)模。同時(shí)它也足夠復(fù)雜，能夠探索潛在的量子優(yōu)勢(shì)，量子計(jì)算機(jī)將比全球最先進(jìn)的超算更為有效地解決問題。

據(jù)介紹，IBM 團(tuán)隊(duì)目前正在：

開發(fā)一套可擴(kuò)展的、更為大型的、性能更加的處理器；

開發(fā)一種用于存放更大型處理器的容器「稀釋冷卻箱」（dilution refrigerator），這一冷卻箱 10 英尺高、6 英尺寬；

開發(fā)一種將多個(gè)單元連接起來的技術(shù)，類似于芯片中的多核架構(gòu)。

設(shè)計(jì)一臺(tái)通過云部署的全堆棧量子計(jì)算機(jī)，任何人都可以編程。

IBM 的一個(gè)最終設(shè)想是：將量子互聯(lián)連接稀釋冷卻箱，每個(gè)冷卻箱都有一百萬個(gè)量子位，就像內(nèi)聯(lián)網(wǎng)連接超級(jí)計(jì)算處理器一樣，創(chuàng)造出一個(gè)能夠改變世界的大規(guī)模并行量子計(jì)算機(jī)。

量子計(jì)算會(huì)帶來怎樣的革新？

雖然量子計(jì)算還處于初級(jí)發(fā)展階段，但包括 IBM 在內(nèi)的眾多巨頭早就開始了探索。

早在本世紀(jì) 10 年代，IBM 就通過增加相干時(shí)間、減少誤差，實(shí)現(xiàn)了多量子位計(jì)算機(jī)。而 IBM 的一個(gè)目標(biāo)是：讓量子計(jì)算機(jī)的性能每年至少翻一番。

2016 年，通過從量子位到編譯器、再到系統(tǒng)各層次的不斷改進(jìn)，IBM 推出了 5 位量子計(jì)算機(jī)。

2017 年，IBM 取得重大進(jìn)展，20 位的量子計(jì)算機(jī)問世，同時(shí) IBM 還構(gòu)建了 50 位量子計(jì)算機(jī)原理樣機(jī)。同年，IBM 簽署了包括公司、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和國(guó)家研究實(shí)驗(yàn)室在內(nèi)的眾多 IBM Q 網(wǎng)絡(luò)合作伙伴，旨在建立一個(gè)量子計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)。

2019 年年初舉行的 CES 上，IBM 推出了 IBM Q System One，即全球首個(gè)專為科學(xué)和商業(yè)用途設(shè)計(jì)的集成通用近似量子計(jì)算系統(tǒng)。

2019 年 9 月 18 日，IBM 舉行了新量子計(jì)算中心開幕儀式，新中心配備了 5 臺(tái) 20 位量子計(jì)算機(jī)。不久后，IBM 還推出第一臺(tái) 53 位量子計(jì)算機(jī)，這也是當(dāng)時(shí)可供外部使用的最大通用量子計(jì)算機(jī)。

今年 5 月有外媒報(bào)道稱，擁有雄厚資金和技術(shù)實(shí)力的 IBM 已經(jīng)擁有了 18 臺(tái)量子計(jì)算機(jī)。

當(dāng)前巨頭之間的量子計(jì)算競(jìng)爭(zhēng)不斷加速，但量子計(jì)算仍面臨著巨大挑戰(zhàn)，量子計(jì)算未來將會(huì)帶來怎樣的革新，我們拭目以待。
責(zé)編AJX