IBM 的量子计算机即将突破 1000 量子比特大关

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周康妮/IBM

IBM 的 Condor 是世界上第一台拥有超过 1,000 个量子比特的通用量子计算机，预计将于 2023 年首次亮相。今年，IBM 还有望推出 Heron，这是该公司表示将推出的新一批模块化量子处理器中的第一款。帮助它在 2025 年之前生产出具有超过 4,000 个量子比特的量子计算机。

虽然理论上量子计算机可以快速找到经典计算机需要数年时间才能解决的问题的答案，但今天的量子硬件仍然缺乏量子比特，限制了它的实用性。 量子计算所需的纠缠态和其他量子态很脆弱，容易受到热和其他干扰的影响，这使得增加量子比特的数量成为一项艰巨的技术挑战。

尽管如此，IBM 仍在稳步增加其量子比特数。 2016 年，它将第一台量子计算机置于云端，这是一种具有五个量子位的设备，每个量子位都是一个冷却到接近绝对零的超导电路。 2019年，公司打造了27量子比特的Falcon； 2020 年，65 量子位蜂鸟； 2021 年，127 量子比特的 Eagle，第一个超过 100 量子比特的量子处理器； 2022 年创造了具有 433 个量子位的 Osprey。

卡尔德托雷斯/IBM

其他量子计算机拥有比 IBM 的 1121 量子位 Condor 处理器更多的量子位。 例如，D-Wave Systems 在 2020 年推出了一个 5,000 量子比特的系统。但是 D-Wave 的计算机是解决优化问题的专用机器，而 Condor 将是世界上最大的通用量子处理器。

IBM 量子基础设施总监 Jerry Chow 表示：“一千个量子位确实突破了我们真正可以集成的极限。” 通过将读出和控制所需的电线和其他组件分离到它们自己的层中，这一策略从 Eagle 开始，它们可以更好地保护量子位免受干扰并将更多的量子位合并到其中。 “随着我们扩大规模，我们正在学习设计规则，比如‘这个可以超越这个；这个不能超越这个；这个空间可以用于这个任务，’”Chow 说。

与 Condor 相比，IBM 计划在 2023 年推出的另一款量子处理器 Heron 的 133 量子位可能显得微不足道。 但 IBM 表示，其升级的架构和模块化设计预示着开发强大的量子计算机的新战略。 Condor 使用固定耦合结构连接其量子位，而 Heron 将使用可调谐耦合结构，在携带量子位的超导环路之间添加约瑟夫森结。 该策略减少了量子位之间的串扰，提高了处理速度并减少了错误。 （谷歌已经在其 53 位 Sycamore 处理器上使用了这种架构。）

此外，Heron 处理器专为彼此之间的实时经典通信而设计。 这些链接的经典性质意味着它们的量子位不能纠缠在 Heron 芯片上，从而提高计算能力，因为量子处理器是众所周知的。 尽管如此，这些经典连接使得量子计算机可以从经典计算机获得帮助的“电路编织”技术成为可能。

例如，使用一种称为“纠缠锻造”的技术，IBM 研究人员发现他们可以使用通常所需的一半量子位来模拟量子系统，例如分子。 这种方法将量子系统一分为二，在量子计算机上分别对每一半进行建模，然后使用经典计算来计算两半之间的纠缠并将模型组合起来。

虽然处理器之间的这些经典链接很有用，但 IBM 最终打算取代它们。 2024 年，公司计划推出 Crossbill 和 Flamingo。 Crossbill 是一个 408 量子比特的处理器量子计算机比特币破解，由三个微芯片通过短程量子通信链路连接在一起，而 Flamingo 是一个 462 量子比特的模块，它计划组合成一个 1386 量子比特的系统。 如果这些连接实验成功，IBM 计划在 2025 年推出一个 1,386 量子比特的 Kookaburra 模块量子计算机比特币破解，通过短程和远程量子通信链路将三个这样的模块组合成一个 4,158 量子比特的系统。

RIKEN 理论量子物理实验室首席科学家 Franco Nori 表示，IBM 的“旨在渐进式改进的系统战略非常合理，从长远来看很可能会取得成功。”

“

IBM 在软件领域的巨大飞跃

2023年，IBM还计划改进核心软件，帮助开发者在云端统一使用量子计算和经典计算。 “我们正在为以量子为中心的超级计算机的外观奠定基础，”Chow 说。 “我们不认为量子处理器是完全集成的，而是松散聚集的。” 他解释说，这个框架将提供所需的灵活性，以适应量子硬件和软件可能经历的不断升级。

2023 年，IBM 计划开始制作量子软件应用程序的原型。 到 2025 年，该公司预计将在机器学习、优化问题、自然科学等领域引入此类应用。

研究人员希望最终使用量子纠错来弥补量子处理器容易出现的错误。 这些方案将量子数据分布在冗余量子位上，每个有用的逻辑量子位需要多个物理量子位。 相反，IBM 计划从 2024 年开始将错误缓解措施纳入其平台，以在第一时间防止这些错误。 但即使争论中的错误最终需要更多的量子位，IBM 也应该在 1121 量子位的 Condor 等产品上处于有利地位。

本文刊登在 2023 年 1 月的印刷版上，标题为“IBM 的量子飞跃”。

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