全球超級(jí)計(jì)算機(jī)開發(fā)競賽如火如荼，IBM猝不及防甩出了手中的王牌，周一推出了該公司迄今最強(qiáng)大的量子計(jì)算芯片，以及量子計(jì)算機(jī)IBM量子系統(tǒng)二號(hào)，并制定了2033年生產(chǎn)出超級(jí)計(jì)算機(jī)的宏偉藍(lán)圖。

量子計(jì)算芯片，錯(cuò)誤率創(chuàng)下歷史新低

當(dāng)?shù)貢r(shí)間12月4日，IBM 在公司量子峰會(huì)上首次推出了量子計(jì)算芯片“IBM Quantum Heron”（ 蒼鷺），這是IBM歷史上第一個(gè)實(shí)用級(jí)量子處理器。

“蒼鷺”處理器擁有133個(gè)固定頻率量子位，超過了127個(gè)量子位的“Eagle”（老鷹）處理器。

IBM稱，與“老鷹”相比，“蒼鷺”處理器的設(shè)備性能提高了3至5倍，而且它的錯(cuò)誤率創(chuàng)下了歷史新低，比之前的量子處理器低三分之二。

明年，將有更多 “蒼鷺”處理器將加入IBM行業(yè)領(lǐng)先的公用事業(yè)規(guī)模系統(tǒng)群。

新型模塊化系統(tǒng)亮相，超級(jí)計(jì)算機(jī)距離走進(jìn)現(xiàn)實(shí)不遠(yuǎn)了

另外，IBM還推出了該公司第一臺(tái)擁有1000 多個(gè)量子位的量子計(jì)算機(jī)IBM 量子系統(tǒng)二號(hào)，相當(dāng)于普通計(jì)算機(jī)中的量子位。據(jù)悉，該量子計(jì)算機(jī)將搭載3個(gè)“蒼鷺”處理器運(yùn)行。

IBM向業(yè)界展示了新型模塊化系統(tǒng)，將機(jī)器內(nèi)部的處理器連接在一起，然后將機(jī)器連接在一起，以形成模塊化系統(tǒng)，當(dāng)與新的糾錯(cuò)代碼相結(jié)合時(shí)，有望在2033年生產(chǎn)出引人注目的量子機(jī)器，即包括1000個(gè)邏輯量子位的超級(jí)計(jì)算機(jī)，全面釋放量子計(jì)算的能量。

IBM高級(jí)副總裁兼研究總監(jiān) Dario Gil表示：“我們正處于量子計(jì)算機(jī)被用作探索科學(xué)新領(lǐng)域的工具的時(shí)代。”

“隨著我們繼續(xù)推進(jìn)量子系統(tǒng)，通過模塊化架構(gòu)擴(kuò)展和提供價(jià)值，我們將進(jìn)一步提高公用事業(yè)規(guī)模量子技術(shù)堆棧的質(zhì)量，并將其交到我們的用戶和合作伙伴手中，他們將突破量子技術(shù)的界限更復(fù)雜的問題。”

量子計(jì)算的關(guān)鍵障礙——出錯(cuò)概率大

相較于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算利用量子的糾纏和疊加，實(shí)現(xiàn)更加強(qiáng)大的并行計(jì)算能力，且計(jì)算速度要快得多。

但是，這些量子態(tài)也是出了名的變化無常，出錯(cuò)概率很大。為了解決這個(gè)問題，物理學(xué)家嘗試通過誘導(dǎo)多個(gè)物理量子位（例如，每個(gè)物理量子位或單個(gè)離子編碼在超導(dǎo)電路中）來共同編碼一個(gè)信息量子位，即所謂的“邏輯量子位”。

研究人員普遍表示，最先進(jìn)的糾錯(cuò)技術(shù)每個(gè)“邏輯量子位”需要 1000多個(gè)物理量子位，一臺(tái)可以進(jìn)行有用計(jì)算的機(jī)器需要擁有數(shù)百萬個(gè)物理量子位。

但近幾個(gè)月來，物理學(xué)家對(duì)一種稱為量子低密度奇偶校驗(yàn)（qLDPC）的替代糾錯(cuò)方案越來越感興趣。

根據(jù) IBM 研究人員的1號(hào)預(yù)印本，這一數(shù)字將減少10倍或更多。該公司表示，現(xiàn)在將專注于構(gòu)建芯片，該芯片旨在在 400 個(gè)左右的物理量子位中容納一些經(jīng)過 qLDPC 校正的量子位，然后將這些芯片連接在一起。

馬薩諸塞州劍橋市哈佛大學(xué)的物理學(xué)家 Mikhail Lukin 表示，IBM 的預(yù)印本是“出色的理論著作”。

“話雖這么說，用超導(dǎo)量子位實(shí)現(xiàn)這種方法似乎極具挑戰(zhàn)性，甚至可能需要數(shù)年時(shí)間才能在這個(gè)平臺(tái)上嘗試概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，” Lukin說。

問題是qLDPC 技術(shù)要求每個(gè)量子位直接連接到至少6個(gè)其他量子位。在傳統(tǒng)超導(dǎo)芯片中，每個(gè)量子位僅連接到2-3個(gè)相鄰量子位。

但位于紐約約克敦高地 IBM 托馬斯·J·沃森研究中心的凝聚態(tài)物理學(xué)家兼 IBM Quantum 首席技術(shù)官Oliver Dial表示，該公司有一個(gè)計(jì)劃：它將在其量子計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)中添加一層量子芯片，以允許 qLDPC 方案所需的額外連接。

IBM 量子副總裁 Jay Gambetta表示，該公司一直在采取雙軌方法來準(zhǔn)備硬件，包括開發(fā)持續(xù)大量制造高質(zhì)量量子位的能力。

他表示，超過1121個(gè)超導(dǎo)量子位的Condor表明該公司在這方面處于良好狀態(tài)，IBM在周一推出了這款處理器。

“它的量子位小了大約 50%，”Gambetta 對(duì)媒體表示，“收益率就在那里——我們的收益率接近 100%。”

IBM 一直致力于研究的第二個(gè)問題是，限制對(duì)單個(gè)或成對(duì)的量子位進(jìn)行操作時(shí)發(fā)生的錯(cuò)誤。

改變量子位的狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生微妙的信號(hào)，這些信號(hào)可能會(huì)滲透到相鄰量子位中，這種現(xiàn)象就是所謂的串?dāng)_。“蒼鷺”在新型處理器中屬于較小的一款，代表了IBM研發(fā)團(tuán)隊(duì)4年來為提高門性能所做的努力。

“這是一個(gè)漂亮的設(shè)備，”Gambett說，“它比以前的設(shè)備好5倍，錯(cuò)誤少得多，而且串?dāng)_無法真正測(cè)量。”

量子計(jì)算何時(shí)能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化？

盡管這項(xiàng)量子計(jì)算研究具有里程碑意義，但截至目前仍無法實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

“這一直是一個(gè)夢(mèng)想，而且一直是一個(gè)遙遠(yuǎn)的夢(mèng)想，” Dial說，“實(shí)際上，讓它足夠接近，讓我們能夠看到我們今天所處的位置，對(duì)我來說是巨大的。”

IBM將其量子開發(fā)路線圖延長10年至2033年，以構(gòu)建計(jì)算、糾錯(cuò)能力更強(qiáng)大的系統(tǒng)。

另外，到2024年底，IBM計(jì)劃在美國、加拿大、日本和德國建立八個(gè)量子計(jì)算中心，以確保研究人員廣泛使用量子系統(tǒng)二號(hào)。

Gambetta同時(shí)表示：“我們需要一段時(shí)間才能從科學(xué)價(jià)值轉(zhuǎn)向商業(yè)價(jià)值。” “但在我看來，研究和商業(yè)化之間的區(qū)別正在變得越來越緊密。”

IBM 研究人員表示，最近的進(jìn)展增強(qiáng)了他們對(duì)量子計(jì)算長期潛力的信心，盡管他們沒有預(yù)測(cè)量子計(jì)算何時(shí)會(huì)進(jìn)入商業(yè)主流。