2023年IBM已準(zhǔn)備好開始實現(xiàn)以量子為中心的超級計算機(jī)

量子比特，物理學(xué)術(shù)語，參照Shannon信息論中比特描述信號可能狀態(tài)的特征，量子信息中引入了“量子比特”的概念。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉及其同事陸朝陽、劉乃樂、汪喜林等通過調(diào)控六個光子的偏振、路徑和軌道角動量三個自由度，在國際上首次實現(xiàn)18個光量子比特的糾纏，刷新了所有物理體系中最大糾纏態(tài)制備的世界紀(jì)錄。

參照Shannon信息論中比特描述信號可能狀態(tài)的特征，量子信息中引入了“量子比特”的概念。量子比特的英文名字為quantum bit，簡寫為qubit或qbit。1983年，Stephen wiesner在他量子貨幣的提案中第一次引入了量子比特的概念。而“量子比特”這個術(shù)語的問世應(yīng)歸功于Benjamin schumacher，在他論文的致謝辭中，schumacher 表示術(shù)語“量子比特”是他在同William wootters的一次談話時提出的，只是因為它同古代的一種長度測量單位腕尺(cubit)的發(fā)音相似。在量子計算中，作為量子信息單位的是量子比特，量子比特與經(jīng)典比特相似，只是增加了物理原子的量子特性。

11月9日報道，國際商用機(jī)器公司(IBM)已經(jīng)制造出迄今為止最大的量子計算機(jī)。這臺名為“魚鷹”(Osprey)的計算機(jī)包含433個量子比特，是該公司此前打破紀(jì)錄的127個量子比特計算機(jī)的3倍多，是谷歌公司包含53個量子比特的“西克莫”計算機(jī)的8倍多。

報道稱，盡管量子計算機(jī)有望最終解決傳統(tǒng)計算機(jī)可能永遠(yuǎn)無法解決的問題，但是人們對于制造量子計算機(jī)的最佳方式?jīng)]有達(dá)成共識。IBM和谷歌把量子比特建立在電路的基礎(chǔ)上，這些電路由可以完美導(dǎo)電的超導(dǎo)體制成。而其他人則支持使用異常巨大的原子、帶電原子或光量子粒子的裝置。IBM公司的奧利弗·戴爾說，制造“魚鷹”的挑戰(zhàn)并不僅僅在于制作更多的量子比特。量子比特可能受到由相鄰量子比特施加到它們身上的力的擾亂，與“混線”使傳統(tǒng)計算機(jī)產(chǎn)生故障的方式類似。當(dāng)更多的量子比特被集成到一枚芯片上時，出現(xiàn)這種情況的可能性會更大。

“魚鷹”通過把芯片連接到傳統(tǒng)電子裝置上來控制它所包含的量子比特。戴爾說，他和他的團(tuán)隊設(shè)計了這些連接，以便使量子比特得到盡可能精確的控制。報道稱，由于超導(dǎo)線只能在接近零下273攝氏度的溫度下具備超導(dǎo)性能，因此“魚鷹”必須被保存在一個特制的冰箱里。戴爾和同事們還不得不確保計算機(jī)及所有導(dǎo)線不會讓溫度有一丁點的上升。

研究人員對量子計算機(jī)寄予厚望，因為與常規(guī)比特不同，量子比特能夠同時代表數(shù)值0、1以及(量子力學(xué)奇異特性導(dǎo)致的)兩者的組合。這將使它們能夠進(jìn)行哪怕對最先進(jìn)的超級計算機(jī)而言都過于復(fù)雜的計算，例如在亞原子水平上模擬化學(xué)反應(yīng)。2019年，谷歌公司曾宣布在這個方向上取得突破，當(dāng)時“西克莫”解決了一個該公司聲稱用傳統(tǒng)計算機(jī)不可能完成的問題。此后這一“量子霸權(quán)”多次受到挑戰(zhàn)。報道介紹，“魚鷹”擁有的量子比特數(shù)遠(yuǎn)大于“西克莫”，而且隨著量子計算機(jī)體量的擴(kuò)大，它們的性能已經(jīng)變得更加強(qiáng)大。事實上，就存儲和處理信息的狀態(tài)數(shù)量而言，一臺傳統(tǒng)計算機(jī)需要擁有比已知宇宙中的原子數(shù)目更多的比特數(shù)才能與“魚鷹”媲美。

IBM制造出了迄今全球最大量子計算機(jī)“魚鷹”(Osprey)，其擁有433個量子比特，是該公司此前創(chuàng)紀(jì)錄的127個量子比特計算機(jī)“鷹”的3倍多，是谷歌53個量子比特計算機(jī)“懸鈴木”的8倍多。不過也有科學(xué)家指出，“魚鷹”的糾錯能力仍有待證明。

目前國際學(xué)術(shù)界實現(xiàn)量子計算有多條技術(shù)路線，超導(dǎo)量子計算是其中最有希望的候選者之一。IBM和谷歌正是基于這一路線，其核心目標(biāo)是增加“可操縱”量子比特的數(shù)量，并提升操縱的精度，最終應(yīng)用于實際問題。其他設(shè)備則使用原子或光子等充當(dāng)量子比特。

建造“魚鷹”面臨的挑戰(zhàn)不僅在于制造出更多量子比特，還包括更好地對其進(jìn)行控制。因為量子比特會受到相鄰量子比特施加的力的影響而相互干擾，導(dǎo)致計算機(jī)出現(xiàn)故障，封裝到芯片上的量子比特越多，出現(xiàn)這種情況的可能性就越大。鑒于此，研究團(tuán)隊通過將芯片連接到傳統(tǒng)電子設(shè)備上，以盡可能精確地控制“魚鷹”內(nèi)部的量子比特。此外，由于只在接近零下273攝氏度的溫度下超導(dǎo)，“魚鷹”必須置于一個特殊的冰箱里，而且，研究團(tuán)隊還必須確保量子計算機(jī)及其所有電線的溫度不會升高。

美國塔夫茨大學(xué)的彼得·洛夫表示，“魚鷹”的面世表明超導(dǎo)技術(shù)確實可規(guī)?；?，但這臺設(shè)備仍有“噪音”。他解釋道，隨著時間的推移，量子比特會失去量子性，給出錯誤結(jié)果。像“魚鷹”這樣的計算機(jī)能否捕捉并糾正自己的錯誤，以及IBM能否嘗試用它來證明“量子優(yōu)越性”都是目前面臨的巨大挑戰(zhàn)。

IBM團(tuán)隊計劃2023年生產(chǎn)出一臺可工作的1121個量子比特的量子計算機(jī)，該公司也在開發(fā)一種更小的芯片，以測試一種量子比特排列和連接新方法，目的是降低噪聲并減少誤差。

IBM認(rèn)為，2023年是一個主要拐點，IBM已準(zhǔn)備好開始實現(xiàn)以量子為中心的超級計算機(jī)。其目標(biāo)是在未來幾年穩(wěn)步提升計算能力，計劃在2025年推出超4000個量子比特的系統(tǒng)，比傳統(tǒng)計算機(jī)更快更準(zhǔn)確地解決一些問題，并為現(xiàn)在最好的計算機(jī)只能估計的問題提供精確的解決方案，實現(xiàn)“量子優(yōu)勢”里程碑。

IBM高級副總裁兼IBM研究總監(jiān)達(dá)里奧·吉爾(Dario Gil)表示，IBM將在此基礎(chǔ)上繼續(xù)擴(kuò)大規(guī)模，最終量子系統(tǒng)將包含數(shù)百萬個量子比特，“我們越來越接近了?！?

傳統(tǒng)計算機(jī)使用二進(jìn)制數(shù)字0或1，而量子計算機(jī)使用的量子比特以一種0和1復(fù)雜混合的量子態(tài)表示和存儲信息。吉爾說，量子計算機(jī)有朝一日可能解決的問題包括模擬化學(xué)中天然材料的表現(xiàn)形式，甚至打破用于保護(hù)互聯(lián)網(wǎng)安全的公開密鑰加密。

IBM正在研發(fā)一種能夠處理多種不同任務(wù)的量子計算機(jī)。吉爾表示，理論上，今天可以在一個芯片上放1000個量子比特，但難點在于，量子比特越多，結(jié)果的錯誤率就越高，它們能夠維持量子態(tài)來執(zhí)行計算的時間就越短。據(jù)《華爾街日報》報道，在某種程度上，這是因為量子比特很脆弱，容易被溫度、噪聲或頻率的變化干擾。

2016年以來，IBM一直把量子計算機(jī)放在云上，供企業(yè)、大學(xué)和個人試驗該技術(shù)，IBM目前有20多個用于此目的的在線系統(tǒng)。例如波音公司正通過云技術(shù)使用IBM的量子計算機(jī)，模擬與飛機(jī)腐蝕有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)。IBM還宣布，已將其現(xiàn)有量子計算機(jī)的實驗客戶基礎(chǔ)擴(kuò)大到210多家公司。據(jù)《華爾街日報》報道，這些公司明年一季度可以開始使用“魚鷹”芯片。