IBM的量子飛躍

該公司的量子技術(shù)將在2023年突破1000量子比特大關(guān)。

IBM的Condor是世界上第一臺(tái)突破1000量子比特的通用量子計(jì)算機(jī)，將于2023年首次亮相。預(yù)計(jì)今年IBM還將推出Heron，這是第一款新型模塊化量子處理器，該公司表示，這款處理器可能有助于其在2025年前生產(chǎn)出擁有4000多量子比特的量子計(jì)算機(jī)。

雖然針對(duì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要億萬年才能解決的問題，理論上量子計(jì)算機(jī)可快速找到答案，但今天的量子硬件的量子比特仍然不足，這限制了它的實(shí)用性。量子計(jì)算所需的糾纏和其他量子態(tài)非常脆弱，易受熱量和其他干擾的影響，這使得增加量子比特的數(shù)量成為一個(gè)巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

盡管如此，IBM還是穩(wěn)步增加了其量子比特?cái)?shù)量。2016年，該公司將第一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)放在云端，任何人都可用它做實(shí)驗(yàn)。這臺(tái)設(shè)備有5個(gè)量子比特，每個(gè)量子比特都是冷卻到接近絕對(duì)零度的超導(dǎo)電路。2019年，該公司制造了27量子比特的Falcon；2020年，打造了65量子比特的Hummingbird；2021年，推出了127量子比特的Eagle，這是第一款超過100量子比特的量子處理器；2022年，制造了433量子比特的Osprey。

其他量子計(jì)算機(jī)比IBM Condor處理器的1121量子比特還要多，例如，D-Wave Systems在2020年推出了一個(gè)5000量子比特的系統(tǒng)。但是D-Wave的計(jì)算機(jī)專門用于解決優(yōu)化問題，而Condor將是世界上最大的通用量子處理器。IBM量子基礎(chǔ)設(shè)施總監(jiān)杰瑞?周（Jerry Chow）說：“1000量子比特真的挑戰(zhàn)了我們能夠真正集成的極限?！毖芯咳藛T表示，將讀取和控制所需的線路和其他組件分離到其自己的層上（一種從Eagle開始應(yīng)用的策略），可以更好地保護(hù)量子比特免受破壞，并整合更多的量子比特。“我們會(huì)一邊向上擴(kuò)展，一邊學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)規(guī)則，比如‘這個(gè)可以越過這個(gè)；這個(gè)不能越過這個(gè)；這個(gè)空間可以用來完成這項(xiàng)任務(wù)?！敝苷f。

IBM計(jì)劃在2023年推出的另一款量子處理器Heron只有133量子比特，與Condor相比可能微不足道。但I(xiàn)BM表示，其升級(jí)架構(gòu)和模塊化設(shè)計(jì)預(yù)示著一種開發(fā)強(qiáng)大量子計(jì)算機(jī)的新策略。Condor使用固定耦合架構(gòu)來連接量子比特，而Heron將使用可調(diào)耦合架構(gòu)，在承載量子比特的超導(dǎo)環(huán)路之間增加約瑟夫森結(jié)。這種策略能夠減少量子比特之間的串?dāng)_，提高處理速度，并減少錯(cuò)誤。(谷歌已在其53量子比特的Sycamore處理器中使用了這樣的架構(gòu)。)

此外，Heron處理器專為相互之間的實(shí)時(shí)經(jīng)典通信而設(shè)計(jì)。這些鏈路的經(jīng)典性質(zhì)意味著它們的量子比特不能在Heron芯片上糾纏，無法以此實(shí)現(xiàn)眾所周知的量子處理器計(jì)算能力的提升。不過，這些經(jīng)典鏈路使“電路編織”技術(shù)成為可能，在這方面，量子計(jì)算機(jī)可以從經(jīng)典計(jì)算機(jī)中獲得幫助。

例如，IBM研究人員發(fā)現(xiàn)，使用一種名為“糾纏鍛造”的技術(shù)，僅用通常所需量子比特的一半便可以模擬量子系統(tǒng)（例如分子）。這種方法將量子系統(tǒng)分成了兩半，在量子計(jì)算機(jī)上分別建模，然后使用經(jīng)典計(jì)算來計(jì)算兩半之間的糾纏，并將模型編織在一起。

雖然處理器之間的這些經(jīng)典鏈路很有幫助，但I(xiàn)BM打算最終取代它們。該公司計(jì)劃在2024年推出Crossbill和Flamingo，前者是一款408量子比特處理器，通過短程量子通信鏈路將3塊微芯片耦合在一起，后者是一款462量子比特模塊，計(jì)劃通過大約1米長(zhǎng)的量子通信鏈路合成一個(gè)1386量子比特系統(tǒng)。如果這些連接實(shí)驗(yàn)取得成功，IBM計(jì)劃在2025年推出1386量子比特的Kookaburra模塊，使用短程和遠(yuǎn)程量子通信鏈路將3個(gè)這樣的模塊結(jié)合成一個(gè)4158量子比特的系統(tǒng)。

日本理化學(xué)研究所理論量子物理實(shí)驗(yàn)室（Theoretical Quantum Physics Laboratory）的首席科學(xué)家弗蘭克?諾雷（Franco Nori）說，IBM“旨在逐步改進(jìn)的策略是非常合理的，而且從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看很可能會(huì)成功”。

2023年，IBM還計(jì)劃改進(jìn)其核心軟件，幫助開發(fā)人員在云端統(tǒng)一使用量子計(jì)算和經(jīng)典計(jì)算?！拔覀冋跒橐粤孔訛?a target="_blank">中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)奠定基礎(chǔ)?！敝苷f，“我們認(rèn)為量子處理器不是完全集成的，而是松散聚合的。”他解釋道，這種框架將具備靈活性，能適應(yīng)量子軟硬件可能經(jīng)歷的不斷升級(jí)。

2023年，IBM計(jì)劃開始開發(fā)量子軟件應(yīng)用的原型。到2025年，該公司希望將此類應(yīng)用引入機(jī)器學(xué)習(xí)、優(yōu)化問題、自然科學(xué)等領(lǐng)域。

研究人員希望最終使用量子糾錯(cuò)來彌補(bǔ)量子處理器容易犯的錯(cuò)誤。這些方案能夠?qū)⒘孔訑?shù)據(jù)分散在冗余量子比特中，每個(gè)有用的邏輯量子比特都需要多個(gè)物理量子比特。相反，IBM計(jì)劃從2024年開始將錯(cuò)誤緩解方案引入平臺(tái)，從源頭防止這些錯(cuò)誤。但是，即使針對(duì)如何解決錯(cuò)誤的爭(zhēng)論最終以需要更多的量子比特而結(jié)束，IBM應(yīng)該也能夠憑借1121量子比特的Condor等產(chǎn)品處于有利地位。

審核編輯 ：李倩