该公司的量子技术将在2023年突破1000量子比特大关。
IBM的Condor是世界上第一台突破1000量子比特的通用量子计算机,将于2023年首次亮相。预计今年IBM还将推出Heron,这是第一款新型模块化量子处理器,该公司表示,这款处理器可能有助于其在2025年前生产出拥有4000多量子比特的量子计算机。
虽然针对经典计算机需要亿万年才能解决的问题,理论上量子计算机可快速找到答案,但今天的量子硬件的量子比特仍然不足,这限制了它的实用性。量子计算所需的纠缠和其他量子态非常脆弱,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还是稳步增加了其量子比特数量。2016年,该公司将第一台量子计算机放在云端,任何人都可用它做实验。这台设备有5个量子比特,每个量子比特都是冷却到接近绝对零度的超导电路。2019年,该公司制造了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,这是第一款超过100量子比特的量子处理器;2022年,制造了433量子比特的Osprey。
其他量子计算机比IBM Condor处理器的1121量子比特还要多,例如,D-Wave Systems在2020年推出了一个5000量子比特的系统。但是D-Wave的计算机专门用于解决优化问题,而Condor将是世界上最大的通用量子处理器。IBM量子基础设施总监杰瑞•周(Jerry Chow)说:“1000量子比特真的挑战了我们能够真正集成的极限。”研究人员表示,将读取和控制所需的线路和其他组件分离到其自己的层上(一种从Eagle开始应用的策略),可以更好地保护量子比特免受破坏,并整合更多的量子比特。“我们会一边向上扩展,一边学习设计规则,比如‘这个可以越过这个;这个不能越过这个;这个空间可以用来完成这项任务。’”周说。
IBM计划在2023年推出的另一款量子处理器Heron只有133量子比特,与Condor相比可能微不足道。但IBM表示,其升级架构和模块化设计预示着一种开发强大量子计算机的新策略。Condor使用固定耦合架构来连接量子比特,而Heron将使用可调耦合架构,在承载量子比特的超导环路之间增加约瑟夫森结。这种策略能够减少量子比特之间的串扰,提高处理速度,并减少错误。(谷歌已在其53量子比特的Sycamore处理器中使用了这样的架构。)
此外,Heron处理器专为相互之间的实时经典通信而设计。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,无法以此实现众所周知的量子处理器计算能力的提升。不过,这些经典链路使“电路编织”技术成为可能,在这方面,量子计算机可以从经典计算机中获得帮助。
例如,IBM研究人员发现,使用一种名为“纠缠锻造”的技术,仅用通常所需量子比特的一半便可以模拟量子系统(例如分子)。这种方法将量子系统分成了两半,在量子计算机上分别建模,然后使用经典计算来计算两半之间的纠缠,并将模型编织在一起。
虽然处理器之间的这些经典链路很有帮助,但IBM打算最终取代它们。该公司计划在2024年推出Crossbill和Flamingo,前者是一款408量子比特处理器,通过短程量子通信链路将3块微芯片耦合在一起,后者是一款462量子比特模块,计划通过大约1米长的量子通信链路合成一个1386量子比特系统。如果这些连接实验取得成功,IBM计划在2025年推出1386量子比特的Kookaburra模块,使用短程和远程量子通信链路将3个这样的模块结合成一个4158量子比特的系统。
日本理化学研究所理论量子物理实验室(Theoretical Quantum Physics Laboratory)的首席科学家弗兰克•诺雷(Franco Nori)说,IBM“旨在逐步改进的策略是非常合理的,而且从长远来看很可能会成功”。
2023年,IBM还计划改进其核心软件,帮助开发人员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奠定基础。”周说,“我们认为量子处理器不是完全集成的,而是松散聚合的。”他解释道,这种框架将具备灵活性,能适应量子软硬件可能经历的不断升级。
2023年,IBM计划开始开发量子软件应用的原型。到2025年,该公司希望将此类应用引入机器学习、优化问题、自然科学等领域。
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。这些方案能够将量子数据分散在冗余量子比特中,每个有用的逻辑量子比特都需要多个物理量子比特。相反,IBM计划从2024年开始将错误缓解方案引入平台,从源头防止这些错误。但是,即使针对如何解决错误的争论最终以需要更多的量子比特而结束,IBM应该也能够凭借1121量子比特的Condor等产品处于有利地位。
审核编辑 :李倩
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原文标题:IBM的量子飞跃
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