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美国量子计算重大突破?IBM发布量子系统2,人类又迎巨变前夜?

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美国量子计算机可能已取得革命性的重大突破,IBM公司昨天(12月4日)正式推出了第三代量子芯片Heron,以及基于Heron的IBM量子系统2(IBM Quantum System Two),这是世界上第一台模块化的实用量子计算机。在美国哥伦比亚广播公司的60分钟专题节目中,IBM高级副总裁兼研究总监达里奥·吉尔宣称:此时刻,我们感觉就像是上世纪四五十年代,先驱者们正在建造第一台电子计算机。主持人斯科特·佩利则称,希望我们今天能解释得更清楚,这样您就不会因可能改变人类文明的突破而措手不及了。

简单来说,在昨天召开的IBM量子峰会上,IBM发布了两款量子芯片、一台量子计算机、一个量子编程软件、自动量子编程的AI模型以及未来10年的量子计算机发展路线图,人类文明可能已再次处于大突破的巨变前夜。



  • IBM Condor量子芯片(1121量子比特)

Condor(秃鹰)是一款基于交叉谐振门技术的1121量子比特超导量子芯片,这是世界上第一个超过1000量子比特的量子处理器。此前IBM已发布了Eagle(鹫,127量子比特)、Osprey(鱼鹰,433量子比特)两种量子芯片,Condor将量子位密度提高了50%,但性能和之前的433量子位Osprey相当。这意味着在相同的面积内,可以容纳更多的量子位,对于提高量子计算机的性能和可扩展性具有重要意义。

Conder单个稀释制冷器内包含了超过一英里的高密度低温柔性IO布线,突破了芯片设计的规模和产量极限,是一个里程碑式的创新,解决了规模问题并为未来的硬件设计提供了信息。



  • IBM Quantum Heron量子芯片(133量子比特)

Heron(鹭)是IBM最新的第三代量子芯片,是迄今为止IBM性能指标最高的量子芯片,是IBM未来量子计算机的基石。有人可能觉得,量子比特数反而减少了,怎么还性能最高,还是基石呢?

Heron是IBM新一代架构的处理器,具有133个固定频率量子位和可调谐耦合器,与之前127量子比特的Eagle相比,性能提高了3-5倍,错误率减少了5倍,几乎完全消除了串扰。串扰是指一个量子位的状态被其他量子位干扰,会对量子计算的准确性产生负面影响。Heron芯片几乎消除了这种串扰,这意味着它在执行量子计算时,准确性和可靠性更高。

并且通过Heron,IBM还开发了一种新的量子位和量子门技术,所谓量子门技术,就是量子位的操控技术,这是IBM未来硬件路线图的基础。



Heron处理器的架构意味着多个量子芯片可以互相连接起来,构建模块化的量子计算机,也就是说IBM可以通过简单地增加芯片数量来扩大量子计算机的规模,这是Heron量子处理器最大、最关键的突破。

  • IBM Quantum System Two(IBM量子系统2)

IBM量子系统2配备了3个Heron量子芯片,位于纽约州约克敦高地的实验室,宽6.7米,高4.6米,每个六边形的单元重达9吨。Heron芯片和笔记本电脑芯片差不多大,为什么量子计算机的规模和重量却如此之大呢?

这些体积和重量绝大部分是冷却系统带来的,IBM和谷歌的量子计算机都采用约瑟夫森结作为超导量子比特,需要稀释制冷机提供的超冷超流体来冷却到15mk以下,并且完全在真空环境中运行,这样才能保证超导体的量子力学效应。而稀式制冷机需要氦-3来冷却,氦-3又是核研究和核计划的副产品,通常被政府严控且非常昂贵。不过我看到2021年新华社的报道说,中科院物理所已研制成功无液氦稀释制冷机,可以实现10mk以下的极低温。



约瑟夫森结像一个三明治,由两个超导体中间夹一个绝缘层构成,低温下电子通过超导体时,会配对形成库珀对,从而可以量子隧穿通过绝缘层。通过向约瑟夫森结发射微波光子,就能操控它们并保存、更改和读出单个量子比特的信息。制造约瑟夫森结的超导电缆需要专门设计,传热极少,以避免破坏制冷机内量子比特的微妙量子态,维基百科称这种超导电缆只有日本公司Coax能制造,非常难以获得。

IBM这次发布的重头戏就是IBM量子系统2,这是一种适用于公用事业规模工作的模块化量子计算架构,可以利用并行性、并发量子、经典计算及动态电路执行,以实现量子为中心的超级计算。IBM量子系统2最大的突破就是它六边形的模块化设计,便于扩展到多个量子处理器的连接,从而形成更大的量子计算机,对于实现大规模量子计算具有重要意义,并且支持未来所有的IBM量子芯片。



  • Qiskit 1.0发布

Qiskit是世界上使用最广泛的开源量子编程软件,Qiskit 1.0发布了许多新功能,可以帮助计算科学家轻松、快速地构建和运行量子算法,包括新的量子电路模拟器、新的量子电路编辑器和新的量子电路执行器,有助于推动量子计算的应用和普及。

  • 生成式AI自动编码

IBM还展示了一种生成式AI模型,可利用 WatsonX 人工智能平台来生成量子代码,可用于自动进行量子代码开发并优化量子电路,有助于提高量子计算的效率和自动化水平。

  • IBM未来十年量子开发路线图

在这次峰会上,IBM还发布了未来十年的量子开发路线图。未来将优先考虑门操作的改进,以提高质量实现先进的纠错系统,而不是让量子比特数更多。IBM希望让Heron从2024年达到5000个门操作开始,到2029年实现1亿个的突破,2033年突破10亿个。



纠错系统是量子计算系统的关键组成部分,这是因为量子比特的量子态极为脆弱,周围环境的任何微小改变,包括系统的晶格振动和背景热核自旋,都可能导致量子态被破坏,这就叫退相干,所以整个系统需要冷却到20mk之内。但即使这样,量子态的相干时间也只能维持在纳秒到秒之间,从而导致错误的增加和累积,这就需要进行量子纠错才能进行实用的量子计算。

IBM正在开发各种软件硬件来实现纠错,Heron性能的提升,得益于一种叫量子低密度奇偶校验(qLDPC)的新的纠错策略,也就是用多个物理量子比特来代表一个量子信息比特,这个称为逻辑量子位,可以在400个左右物理量子比特中容纳一些经过qLDPC校正的量子比特,然后把这些芯片连接在一起,从而大幅减少错误率。

所以看看,世界上第一台电子计算机占地170平方米,重达30吨,IBM量子系统2也是占地数十平方米,重达9吨,所以IBM说像是回到上世纪四五十年代,正在建造第一台电子计算机还真的很形象。

数十年前,电子计算机彻底改变了人类文明,今天量子计算机也可能再次改变人类文明,再加上人工智能、星舰,所以我们现在可能真的正处于文明巨变的前夜。



只是电子计算机从楼房大小到可以放到桌面上用了几十年,量子计算机可能用不了那么久。在哥伦比亚广播公司的节目中,主持人佩利问谷歌工程副总裁、量子人工智能实验室负责人哈特穆特·内文,人类什么时候能制造一个真正的量子计算机系统,内文说在这个10年结束的时候,也就是2030年前。IBM副总裁达里奥·吉尔也称对5年内实现这个目标充满信心。

另外,我国的启科量子今年发布了“天算1号”模块化离子阱量子计算工程机,玻色量子发布了100个链子比特的“天工量子大脑” 光量子计算机,而中科大10月发布的255个量子比特“九章三号”光量子计算机,已达成了量子计算研究的第一个里程碑:量子霸权。不过这些都和IBM、谷歌的超导量子位路线有所不同,中国走超导量子路线的是中科院旗下的本源量子,今年1月已交付第一台24量子比特超导量子计算机,年底前预计会发布新型号,2025年达到1024量子比特。

究竟哪条路能最终取得成功,还有待时间最后的检验。

责任编辑:朴琳清_NBJS24703

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