IBM計劃建造包含1000個量子比特的量子計算機？打入處理技術裡程碑
2020-09-17 與非網與非網 9 月 17 日訊，據美國雜誌網站報導，IBM公司近日公布了其量子計算機發展路線圖，其中包括到 2023 年建造一臺包含 1000 個量子比特的量子計算機。據悉，IBM 目前最先進的量子計算機僅包含 65 個量子比特。
IBM 的新計劃還包括在 2021 年和 2022 年分別建成包含 127 個和 433 個量子比特的中型量子計算機，並計劃未來某一天創建出包含 100 萬個量子比特的量子計算機。IBM 研究總監達裡奧·吉爾表示，他對自己的團隊能夠按時圓滿完成計劃充滿信心。
IBM 公司稱，公布最新路線圖有助其客戶和合作夥伴心中有數。吉爾解釋說，有數十家量子計算初創公司使用 IBM當前的機器來開發自己的軟體產品，了解 IBM 的發展路線圖應該可以幫助開發人員更好地針對硬體進行調整。
研究人員表示，一臺容納 1000 個量子比特的量子計算機是通往成熟量子計算機道路上特別重要的裡程碑，儘管這樣的機器仍然無法發揮量子計算機的全部潛力，例如破解當前的網際網路加密方案，但它足以發現並糾正通常困擾量子比特的無數微小錯誤。這臺機器將成為一個「拐點」，自此，研究人員的重點將從降低單個量子比特的錯誤率轉向優化整個系統的體系結構和性能。
IBM 並非量子計算機爭霸賽中唯一的玩家，谷歌公司也是這場角逐中的有力競爭者。去年 10 月 23 日，谷歌研究人員在英國《自然》雜誌發表論文說，他們已經成功演示了「量子霸權」：其 53 個量子比特的系統花費約 200 秒完成了傳統超級計算機要 1 萬年才能完成的任務。「量子霸權」是美國加州理工學院物理學家約翰·普瑞斯基爾發明的名詞，用來表示「在存儲和通信帶寬呈指數級增加後，量子計算機擁有傳統超級計算機所不具有的能力」。
今年 4 月，谷歌量子人工智慧實驗室主任哈特穆特·奈文在一次採訪中表示，谷歌計劃在 10 年內建造一臺容納 100 萬個量子比特的量子計算機，不過，他拒絕透露具體的日程表。
2019 年 9 月 18 日，IBM 在紐約舉行了新量子計算中心開幕儀式，並推出全球首臺 53 位量子計算機。
2020 年 9 月 15 日，恰好過去一年，IBM 就宣布了其量子計算技術路線圖，而這也是其首次公布未來量子計算硬體的規劃。
IBM 表示，正朝著在 2023 年年底前研製出超過 1000 位的量子處理器的目標努力，有朝一日還將推出超過一百萬位的處理器。
1969 年，人類克服了前所未有的技術阻礙，首次登上月球、創造歷史。時至今日，人類卻依舊無法自如地用計算機精確捕捉浩渺宇宙中最為精細的部分。
正如 IBM 所說：如果把思維局限於我們所知道的計算世界中，建造一個能真正捕捉原子運動的裝置，用以解決我們這個時代最具挑戰性的問題，幾乎是天方夜譚。
但正如登月一般，研究人員的一個宏大目標是：造出一臺能夠超越傳統計算機的大型量子計算機。
本質上講，所謂量子計算就是將量子力學和計算理論結合，充分利用量子的疊加、糾纏、幹涉等特性，展現出強大的計算能力。
而研製量子計算機，核心就是量子級計算機處理器，它能夠幫助量子計算機進行高速運算、處理量子信息。
具體來講，量子處理器依靠基本粒子的數學運算來擴展計算能力，運行的電路為量子電路，並非數字計算機的邏輯電路。用人造原子的電子量子態來表示數據，被稱為超導跨子量子位（superconducting transmon qubits），這些量子位通過微波脈衝序列連接和操縱，以便運行量子電路。
但存在一個問題，由於與外界的相互作用，量子位很快就會忘記它們的量子態。
對此，IBM 表示：我們團隊當前面臨的最大挑戰是，如何在錯誤率較低的前提下，在足夠長的時間內控制這些量子位系統，從而保證未來量子應用所需的複雜量子電路能夠正常運行。
基於上述目標與挑戰，IBM 向外公開了其量子計算技術路線圖。
目前，IBM 量子處理器已達到 65 位。
據 IBM 稱，就在本月，量子團隊向 IBM Q Network 成員發布了 65 位處理器，即「IBM 量子蜂鳥」（IBM Quantum Hummingbird）。基於該處理器，8 個量子位的讀出信號可以合併成一個，讀出所需的布線、組件總量因而減少。
IBM 未來的大致計劃如下：
2021 年推出 127 位 IBM 量子鷹處理器（ IBM Quantum Eagle）
2022 年推出 433 位 IBM 量子魚鷹處理器（IBM Quantum Osprey ）
2023 年推出 1121 位 IBM 量子禿鷹處理器（ IBM Quantum Condor）
值得一提的是，2023 年將推出的 IBM 量子禿鷹處理器將在前幾代處理器的基礎之上繼續降低關鍵的兩個量子位誤差，以便更好地運行量子電路。
按照 IBM 的說法：IBM 量子禿鷹處理器既是一個轉折點，也是一個裡程碑。這款處理器標誌著我們有能力進行糾錯、有能力擴大量子設備規模。同時它也足夠複雜，能夠探索潛在的量子優勢，量子計算機將比全球最先進的超算更為有效地解決問題。
據介紹，IBM 團隊目前正在：
開發一套可擴展的、更為大型的、性能更加的處理器；
開發一種用於存放更大型處理器的容器「稀釋冷卻箱」（dilution refrigerator），這一冷卻箱 10 英尺高、6 英尺寬；
開發一種將多個單元連接起來的技術，類似於晶片中的多核架構。
設計一臺通過雲部署的全堆棧量子計算機，任何人都可以編程。
IBM 的一個最終設想是：將量子互聯連接稀釋冷卻箱，每個冷卻箱都有一百萬個量子位，就像內聯網連接超級計算處理器一樣，創造出一個能夠改變世界的大規模並行量子計算機。
量子計算會帶來怎樣的革新？
雖然量子計算還處於初級發展階段，但包括 IBM 在內的眾多巨頭早就開始了探索。
早在本世紀 10 年代，IBM 就通過增加相干時間、減少誤差，實現了多量子位計算機。而 IBM 的一個目標是：讓量子計算機的性能每年至少翻一番。
2016 年，通過從量子位到編譯器、再到系統各層次的不斷改進，IBM 推出了 5 位量子計算機。
2017 年，IBM 取得重大進展，20 位的量子計算機問世，同時 IBM 還構建了 50 位量子計算機原理樣機。
同年，IBM 籤署了包括公司、學術機構和國家研究實驗室在內的眾多 IBM Q 網絡合作夥伴，旨在建立一個量子計算生態系統。
2019 年年初舉行的 CES 上，IBM 推出了 IBM Q System One，即全球首個專為科學和商業用途設計的集成通用近似量子計算系統。
2019 年 9 月 18 日，IBM 舉行了新量子計算中心開幕儀式，新中心配備了 5 臺 20 位量子計算機。不久後，IBM 還推出第一臺 53 位量子計算機，這也是當時可供外部使用的最大通用量子計算機。
今年 5 月有外媒報導稱，擁有雄厚資金和技術實力的 IBM 已經擁有了 18 臺量子計算機。
當前巨頭之間的量子計算競爭不斷加速，但量子計算仍面臨著巨大挑戰，量子計算未來將會帶來怎樣的革新，我們拭目以待。
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