IBM量子计算机即将突破1000量子比特大关

CONNIE ZHOU/IBM

IBM的Condor是世界上第一台拥有超过1000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，预计IBM还将推出Heron，这是新一批模块化量子处理器中的第一批，该公司表示，到2025年，这将有助于其生产超过4000个量子比特的量子计算机。

虽然理论上，量子计算机可以很快找到经典计算机需要花费数年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，限制了其实用性。量子计算所需的纠缠态和其他量子态比较脆弱，易受热量和其他干扰的影响，这使得增加量子比特的数量成为一个巨大的技术挑战。

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放在云端，这是一台有5个量子比特的设备，每个量子比特都是一个冷却到接近绝对零度的超导电路。2019年，该公司创造了27量子比特的Falcon；2020年，创造了65量子比特的Hummingbird；2021年是127量子比特的Eagle，这也是第一个拥有超过100量子比特的量子处理器；2022年创造了433量子比特的Osprey。

CARL DE TORRES/IBM

其他量子计算机比IBM的1121量子比特Condor处理器拥有更多的量子比特。例如，D-Wave Systems公司于2020年推出了5000个量子比特系统。但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：“一千个量子比特真的突破了我们真正能集成的东西的极限。” 研究人员表示，通过将读出和控制所需的导线和其他组件分离到各自的层上，这一策略始于Eagle，他们可以更好地保护量子位不受干扰，并将更多的量子位并入其中。“当我们向上扩展时，我们正在学习设计规则，比如‘这可以超过这个；这不能超过这个；这个空间可以用于这个任务’，”Chow说。

与Condor相比，IBM计划于2023年推出的另一款量子处理器Heron的量子比特数仅为133，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量子计算机的新战略。Condor使用固定耦合结构来连接其量子位，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逊结。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处理器设计用于彼此之间的实时经典通信。这些链路的经典性质意味着它们的量子比特不能在Heron芯片上纠缠，从而提高计算能力，这是量子处理器所熟知的。尽管如此，这些经典的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（entanglement forging）”的技术，IBM研究人员发现，他们可以使用通常需要的一半量子比特来模拟分子等量子系统。这种方法将量子系统分成两半，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，并将模型组合在一起。

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，该公司计划推出Crossbill和Flamingo。Crossbill是一个408量子比特处理器，由三个微芯片通过短程量子通信链路连接在一起制成，Flamingo是一个462量子比特模块，它计划通过大约1米长的量子通信链路将其组合成一个1386量子比特系统。如果这些连通性实验成功，IBM计划在2025年推出1386个量子比特的Kookaburra模块，通过短距离和长距离量子通信链路将三个这样的模块组合成4158个量子比特系统。

日本理化学研究所理论量子物理实验室的首席科学家Franco Nori表示，IBM“旨在逐步改进的系统策略非常合理，从长远来看很可能会取得成功。”

2023年，IBM还计划改进其核心软件，以帮助开发人员在云上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打下基础，”Chow说，“我们不认为量子处理器是完全集成的，而是松散聚合的。”他解释道，这种框架将提供所需的灵活性，以适应量子硬件和软件可能会经历的不断升级。

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犯的错误。这些方案在冗余量子位上传播量子数据，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年开始将错误缓解方案纳入其平台，以从一开始就防止这些错误。但即使争论的错误最终需要更多的量子位，IBM也应该在1121量子位Condor这样的产品中处于有利地位。

本文发表在2023年1月的印刷版上，标题为“IBM’s Quantum Leap”。