IBM即将突破1000量子比特大关

光子盒研究院出品

IBM量子计算机即将突破1000量子比特大关！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，将于2023年首次亮相。

预计在2023年，IBM还将推出Heron：这是IBM首批模块化量子处理器，IBM公司表示，这将有助于它在2025年之前生产出具有超过4000个量子比特的量子计算机。

IBM公司Thomas J. Watson研究中心的一名研究人员正在检查量子硬件

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有条不紊，即将1000量子比特

虽然从理论上讲，量子计算机可以迅速找到经典计算机需要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，限制了它的实用性。量子计算所需的纠缠和其他量子状态是出了名的脆弱，容易受热和其他干扰的影响，这使得扩大量子比特的数量成为巨大的技术挑战。

尽管如此，IBM已经稳步增加了其量子比特的数量。2016年，它把第一台量子计算机放在云端[1]：一个有5个量子比特的设备，每个都是冷却到接近绝对零度的超导电路。2019年，IBM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。

IBM预计将在未来几年内建造越来越复杂的量子计算机，首先是使用Condor处理器或多个Heron处理器并行的计算机。

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取得突破的不止量子比特数量

其他量子计算机比IBM的1121量子比特的Condor处理器拥有更多的量子比特。例如，D-Wave系统公司在2020年公布了一个5000量子比特的系统[2]。但D-Wave的计算机是解决优化问题的专门机器，而Condor将是世界上最大的通用量子处理器。

IBM的量子基础设施主管Jerry Chow表示：“1000个量子比特确实推动了我们真正能够整合的东西。研究人员说，通过将读出和控制所需的导线和其他组件分离到它们自己的层上，这一策略始于Eagle，他们可以更好地保护量子比特不受破坏，并将它们的数量增加。”

IBM计划在2023年推出的另一款量子处理器Heron只有133个量子比特，与Condor相比，它并不大。但IBM表示，其升级后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使用固定耦合架构来连接其量子比特，而Heron将使用可调谐的耦合架构，在承载量子比特的超导环之间增加约瑟夫森结。这种策略减少了量子比特之间的串扰，提高了处理速度并减少了错误。不过，谷歌已经在其53比特的Sycamore处理器中使用了这种架构。

此外，Heron处理器被设计为彼此之间的实时经典通信。这些链接的经典性质意味着它们的量子比特不能在Heron芯片之间纠缠，以实现量子处理器所熟知的那种计算能力的提升。然而，这些经典链接使“电路编织”技术成为可能[3]，量子计算机可以从经典计算机中获得帮助。

例如，使用一种被称为“纠缠锻造”的技术[4]，IBM的研究人员发现他们可以模拟分子等量子系统，只需使用通常所需的一半量子比特。这种方法将一个量子系统分为两半，在量子计算机上分别建立每一半的模型，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技术很有帮助，但IBM打算最终取代它们。2024年，IBM公司的目标是推出Crossbill，一个由三个微芯片通过短程量子通信链路耦合而成的408量子比特处理器，以及Flamingo，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联合成一个1386量子比特系统。如果这些连接性实验成功，IBM的目标是在2025年公布其1386比特的Kookaburra模块，用短程和远程量子通信链接将三个这样的模块组合成一个4158比特的系统。

2022年IBM量子发展路线图

日本理研所理论量子物理实验室的首席科学家Franco Nori评价道：“IBM有条不紊的战略，从长远来看，将导致成功。”

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除了硬件，软件也将实现飞跃

2023年，IBM还计划改进其核心软件，以帮助开发人员通过云计算以统一使用量子和经典计算。“我们正在为以量子为中心的超级计算机的样子奠定基础，我们不认为量子处理器是完全集成的，而是松散聚合的。”Chow解释说，这种框架将提供必要的灵活性，以适应量子硬件和软件可能会经历的不断升级。

2023年，IBM计划开始开发量子软件应用原型；到2025年，该公司预计将在机器学习、优化问题、自然科学和其他领域引入此类应用。

研究人员希望最终使用量子纠错来补偿量子处理器容易出现的错误。这些方案将量子数据分散在冗余的量子比特上，每一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年开始在其平台上加入错误缓解方案[5]，以首先防止这些错误。但是，即使处理错误最终需要更多的量子比特，IBM也应该在其1121个量子比特的Condor等方面处于有利地位。

[1]https://spectrum.ieee.org/ibm-puts-a-quantum-processor-in-the-cloud

[2]https://www.dwavesys.com/company/newsroom/press-release/d-wave-announces-general-availability-of-first-quantum-computer-built-for-business/

[3]https://research.ibm.com/blog/circuit-knitting-with-classical-communication

[4]https://spectrum.ieee.org/ibm-entanglement-forging

[5]https://spectrum.ieee.org/quantum-error-correction

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