12月5日消息，當(dāng)?shù)貢r(shí)間周一，IBM公布了全新的量子計(jì)算芯片路線圖，其中包括了名為“禿鷹（C1316世界之最ondor）”的量子處理器。
這是迄今發(fā)布的最大的基于Transmon的量子處理器，擁有1121個(gè)超導(dǎo)量子比特。
同時(shí)，IBM還推出了基于三個(gè)“鷺（Heron）”芯片的組合，每個(gè)芯片都有133個(gè)量子比特。
像Heron和它的繼任者“火烈鳥(niǎo)（Flamingo）”這樣的較小芯片將在IBM的量子路線圖中發(fā)揮關(guān)鍵作用 —— 該路線圖也得到了重大更新。
基于這一更新，IBM將在2030年代末實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)量子位的工作，這是通過(guò)對(duì)Flamingo芯片的幾次迭代中對(duì)單個(gè)量子位的改進(jìn)而實(shí)現(xiàn)的。
雖然，這些系統(tǒng)可能不會(huì)將現(xiàn)有的加密方案置于危險(xiǎn)之中，但它們應(yīng)該能夠可靠地執(zhí)行比我們今天所能做的任何事情都復(fù)雜得多的量子算法。
IBM 高級(jí)副總裁兼 IBM 研究院院長(zhǎng)達(dá)里奧吉爾 (Daro Gil) 表示：“我們正在進(jìn)入一個(gè)時(shí)代，量子計(jì)算機(jī)將被用作探索科學(xué)新領(lǐng)域的工具。IBM 不斷發(fā)展量子系統(tǒng)如何通過(guò)模塊化架構(gòu)擴(kuò)展和提供價(jià)值。通過(guò)這樣做，我們希望進(jìn)一步1316世界之最提高實(shí)用程序的質(zhì)量-擴(kuò)展量子技術(shù)堆棧，并將其帶到正在突破更復(fù)雜問(wèn)題極限的用戶和合作伙伴手中。”
IBM公司宣布的一切，包括現(xiàn)有的處理器，未來(lái)的路線圖，未來(lái)幾年機(jī)器的用途，以及使這一切成為可能的軟件。但要了解該公司在做什么，我們必須回顧一下整個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。
量子位和邏輯量子位
使用量子位的幾乎每個(gè)方面都容易出錯(cuò)。設(shè)置其初始狀態(tài)、維護(hù)該狀態(tài)、執(zhí)行操作以及讀出狀態(tài)都可能引入錯(cuò)誤，從而使量子算法無(wú)法產(chǎn)生有用的結(jié)果。
因此，每個(gè)生產(chǎn)量子硬件的公司的主要關(guān)注點(diǎn)都是限制這些錯(cuò)誤，并且在這方面取得了很大進(jìn)展。
有跡象表明，這些進(jìn)步現(xiàn)在已經(jīng)讓我們有可能在現(xiàn)有硬件上執(zhí)行一些更簡(jiǎn)單的量子算法。這種潛力很可能會(huì)擴(kuò)展到進(jìn)一步的算法中，這要?dú)w功于我們?cè)谖磥?lái)幾年可能會(huì)看到的改進(jìn)。
然而，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，我們不太可能讓量子比特硬件達(dá)到錯(cuò)誤率足夠低的地步，以至于處理器可以成功完成可能需要在數(shù)小時(shí)計(jì)算中進(jìn)行數(shù)十億次運(yùn)算的復(fù)雜算法。
為此，人們普遍認(rèn)為，我們需要糾錯(cuò)的量子比特。
這涉及到將一個(gè)量子比特 —— 稱為“邏輯量子比特” —— 持有的量子信息分散到多個(gè)硬件量子比特。附加的量子比特被用來(lái)監(jiān)視邏輯量子比特的錯(cuò)誤并允許它們的糾正。
使用邏輯量子位進(jìn)行計(jì)算需要兩個(gè)條件。一個(gè)是單個(gè)硬件量子位的錯(cuò)誤率必須足夠低，以便在新錯(cuò)誤發(fā)生之前識(shí)別和糾正單個(gè)錯(cuò)誤。（有跡象表明，硬件足夠好，可以以部分效率工作。）
你需要的第二件事是大量的硬件量子位，因?yàn)槊總€(gè)邏輯量子位需要多個(gè)硬件量子位才能工作。一些人估計(jì)，我們需要一百萬(wàn)個(gè)硬件量子位來(lái)制造一臺(tái)能夠承載大量邏輯量子位的機(jī)器。
IBM現(xiàn)在表示，預(yù)計(jì)到本十年結(jié)束時(shí)，它將擁有有用數(shù)量的邏輯量子位，IBM 院士兼IBM Quantum的副總裁杰伊甘貝塔（Jay Gambetta）解釋了昨天的公告如何符合這一路線圖。
量子位和門(mén)
甘貝塔表示，該公司一直在采取雙管齊下的方式來(lái)準(zhǔn)備硬件。其中一個(gè)方面是開(kāi)發(fā)持續(xù)制造大量高質(zhì)量量子比特的能力。
他說(shuō)，1000+量子比特的Condor表明，該公司在這方面處于良好狀態(tài)。
甘貝塔說(shuō)：“它的量子位大約小了50%，收益率就在那里 —— 我們的收益率接近100%。”
IBM一直致力于的第二個(gè)方面是限制在單個(gè)或?qū)α孔颖忍剡M(jìn)行操作時(shí)發(fā)生的錯(cuò)誤。這些操作稱為門(mén)，它們本身可能容易出錯(cuò)。
改變量子比特的狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生微妙的信號(hào)，這些信號(hào)會(huì)滲入鄰近的量子比特，這種現(xiàn)象被稱為串?dāng)_。
Heron是新處理器中較小的一款，代表了四年來(lái)提高柵極性能的努力。甘貝塔說(shuō)：“這是一個(gè)漂亮的設(shè)備，它比以前的設(shè)備好五倍，誤差要小得多，而且串?dāng)_無(wú)法真正測(cè)量。”
許多改進(jìn)都?xì)w結(jié)為在量子比特上引入了可調(diào)諧耦合器，這是該公司以前使用的固定頻率硬件的一種改變。這加快了所有門(mén)的運(yùn)行速度，有些門(mén)的運(yùn)行速度提高了10倍。你花在量子位上的時(shí)間越少，出現(xiàn)錯(cuò)誤的機(jī)會(huì)就越少。
該公司于2021年1316世界之最首次推出Eagle芯片，其中許多改進(jìn)都在該芯片的多次迭代中進(jìn)行了測(cè)試。該公司的新路線圖將看到明年發(fā)布的133量子位Heron的改進(jìn)版本，將實(shí)現(xiàn)5000個(gè)門(mén)操作。
接下來(lái)將是明年的156量子位Flamingo處理器的多次迭代，到2028年，該處理器的門(mén)運(yùn)算次數(shù)將達(dá)到1.5萬(wàn)次。
這些芯片還將連接在一起，形成更大的處理器，如Crossbill和Kookaburra，這些處理器也出現(xiàn)在IBM的路線圖上（例如，七個(gè)火烈鳥(niǎo)可以連接在一起，形成一個(gè)與當(dāng)前禿鷹具有相似量子比特?cái)?shù)的處理器）。這里的重點(diǎn)將是測(cè)試在芯片內(nèi)部和芯片之間連接量子位的不同方式。
使用它們
甘貝塔說(shuō)，穩(wěn)步提高的錯(cuò)誤率將有助于人們利用現(xiàn)有的量子硬件完成實(shí)際工作。他強(qiáng)調(diào)了IBM今年早些時(shí)候發(fā)表的關(guān)于誤差緩解的論文，該論文表明，對(duì)計(jì)算過(guò)程中發(fā)生的錯(cuò)誤的詳細(xì)了解，可以用來(lái)從現(xiàn)有硬件中擠出有用的結(jié)果。
甘貝塔說(shuō)，自從那篇論文發(fā)表以來(lái)，大約有六篇論文在arxiv上使用了類似的方法。但更重要的是，我們將展示（我認(rèn)為現(xiàn)在的數(shù)字大約是13個(gè)）我們的用戶、客戶和合作伙伴的演示，他們有自己的使用量子計(jì)算機(jī)作為工具的演示。
雖然，這種方法在某些問(wèn)題（包括模擬通用量子系統(tǒng)）上比經(jīng)典計(jì)算的擴(kuò)展性更好，但它最終會(huì)遇到硬件的限制 —— 甘貝塔提出的問(wèn)題需要大約100個(gè)量子位和10000個(gè)門(mén)。超出這個(gè)范圍需要糾錯(cuò)的邏輯量子位。
但如上所述，這些現(xiàn)在首次出現(xiàn)在路線圖上。他們是循序漸進(jìn)地這樣做的。邏輯存儲(chǔ)量子比特將在2026年展示，然后在第二年展示量子比特之間的邏輯通信。
邏輯門(mén)將在2028年與Starling處理器一起出現(xiàn)，IBM預(yù)計(jì)將在2029年為Starling的迭代提供完整的軟件包。這將使門(mén)操作大幅增加，從2028年火烈鳥(niǎo)的15000個(gè)門(mén)增加到2029年Starling的1億個(gè)門(mén)。
但Starling可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到制造一個(gè)有用處理器所需的數(shù)百萬(wàn)個(gè)硬件量子位。甘貝塔表示，該公司將專注于減少托管一個(gè)強(qiáng)大的邏輯量子位所需的硬件量子位的數(shù)量。
他指出，該公司今年早些時(shí)候在arXiv上發(fā)布了一份手稿，討論了一種實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)的替代方案。
目前最常用的測(cè)試方法（稱為“表面代碼”）可能需要多達(dá)4000個(gè)硬件量子位來(lái)承載12個(gè)邏輯量子位；手稿中描述的方案僅使用288個(gè)硬件量子位就可以做到這一點(diǎn)。
挑戰(zhàn)在于，這種方法需要量子比特之間的連接，這些量子比特可能在一個(gè)芯片上相距遙遠(yuǎn)，或者可能完全在單獨(dú)的芯片上。
迄今為止，Transmon芯片與最近鄰居的連接有限，這是表面代碼所需要的全部，盡管甘貝塔說(shuō)IBM已經(jīng)證明其封裝技術(shù)能夠支持更長(zhǎng)的連接。無(wú)論如何，未來(lái)幾代量子處理器的一個(gè)關(guān)鍵焦點(diǎn)將是實(shí)現(xiàn)這些更遠(yuǎn)距離的連接。
不同類型的耦合器將在2024年和2025年出現(xiàn)在路線圖上，如果IBM要實(shí)現(xiàn)其十年目標(biāo)，它們的高保真度將是絕對(duì)必要的。
考慮到這些特性并不是IBM這次宣布的某個(gè)功能的進(jìn)化，它們可能被列為路線圖上風(fēng)險(xiǎn)最高的項(xiàng)目。
軟件也很重要
甘貝塔說(shuō)，即使這一切都取得了成功，在這個(gè)十年末發(fā)布的硬件對(duì)于破解當(dāng)今加密所需的復(fù)雜算法來(lái)說(shuō)仍然太小。
所以，糾錯(cuò)將會(huì)迎來(lái)這樣一個(gè)時(shí)期，我們的硬件可以進(jìn)行計(jì)算，這在經(jīng)典硬件上是不可能的，但不能做我們最終想要用它們做的所有事情。
這意味著軟件開(kāi)發(fā)將是決定我們?cè)谖磥?lái)幾年能實(shí)現(xiàn)什么目標(biāo)的關(guān)鍵。
在這方面，IBM幫助開(kāi)發(fā)了一個(gè)名為“Qiskit”的開(kāi)源量子SDK，它在程序員可能希望看到的結(jié)果與直接向控制量子計(jì)算機(jī)的硬件發(fā)出命令的需要之間建立了一層抽象。
這次的公告包括Qiskit發(fā)布了1.0版本，這表明該API已經(jīng)穩(wěn)定下來(lái)，未來(lái)的工作將更多地集中在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建有用的庫(kù)。
另外，該公司還修改了其生成式人工智能編碼工具，使其能夠生成在Qiskit上運(yùn)行的代碼。
甘貝塔表示：“生成式人工智能和量子計(jì)算都處于拐點(diǎn)，在 WatsonX 上使用可信的底層模型框架簡(jiǎn)化了構(gòu)建量子算法以探索實(shí)用規(guī)模的方式。”這是擴(kuò)大量子計(jì)算范圍并使其成為現(xiàn)實(shí)的重要一步。作為科學(xué)探索工具提供給用戶。”
在接下來(lái)的幾年里，開(kāi)發(fā)和測(cè)試軟件將變得越來(lái)越重要，因?yàn)槲覀冞€不完全清楚，在嘈雜的系統(tǒng)上減少錯(cuò)誤，或者在有限數(shù)量的糾錯(cuò)量子比特上，能做些什么有用的事情。
雖然很高興看到IBM在年底前實(shí)現(xiàn)了2023年的處理器目標(biāo)，但更大的新聞可能是它的路線圖。
在我們報(bào)道這個(gè)領(lǐng)域的整個(gè)過(guò)程中，人們一直在談?wù)撻_(kāi)發(fā)糾錯(cuò)并展示它的小型演示。這是我們第一次看到以有用的形式顯示到達(dá)日期。
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