IBM 发布量子计算芯片，计划 10 年内造出超级计算机

全球超级计算机开发竞赛如火如荼，IBM 猝不及防甩出了手中的王牌，周一推出了该公司迄今最强大的量子计算芯片，以及量子计算机 IBM 量子系统二号，并制定了 2033 年生产出超级计算机的宏伟蓝图。

量子计算芯片，错误率创下历史新低

当地时间 12 月 4 日，IBM 在公司量子峰会上首次推出了量子计算芯片 “IBM Quantum Heron”（ 苍鹭），这是 IBM 历史上第一个实用级量子处理器。

“苍鹭” 处理器拥有 133 个固定频率量子位，超过了 127 个量子位的 “Eagle”（老鹰）处理器。

IBM 称，与 “老鹰” 相比，“苍鹭” 处理器的设备性能提高了 3 至 5 倍，而且它的错误率创下了历史新低，比之前的量子处理器低三分之二。

明年，将有更多 “苍鹭” 处理器将加入 IBM 行业领先的公用事业规模系统群。

新型模块化系统亮相，超级计算机距离走进现实不远了

另外，IBM 还推出了该公司第一台拥有 1000 多个量子位的量子计算机 IBM 量子系统二号，相当于普通计算机中的量子位。据悉，该量子计算机将搭载 3 个 “苍鹭” 处理器运行。

IBM 向业界展示了新型模块化系统，将机器内部的处理器连接在一起，然后将机器连接在一起，以形成模块化系统，当与新的纠错代码相结合时，有望在 2033 年生产出引人注目的量子机器，即包括 1000 个逻辑量子位的超级计算机，全面释放量子计算的能量。

IBM 高级副总裁兼研究总监 Dario Gil 表示：“我们正处于量子计算机被用作探索科学新领域的工具的时代。”

“随着我们继续推进量子系统，通过模块化架构扩展和提供价值，我们将进一步提高公用事业规模量子技术堆栈的质量，并将其交到我们的用户和合作伙伴手中，他们将突破量子技术的界限更复杂的问题。”

量子计算的关键障碍——出错概率大

相较于传统计算机，量子计算利用量子的纠缠和叠加，实现更加强大的并行计算能力，且计算速度要快得多。

但是，这些量子态也是出了名的变化无常，出错概率很大。为了解决这个问题，物理学家尝试通过诱导多个物理量子位（例如，每个物理量子位或单个离子编码在超导电路中）来共同编码一个信息量子位，即所谓的 “逻辑量子位”。

研究人员普遍表示，最先进的纠错技术每个 “逻辑量子位” 需要 1000 多个物理量子位，一台可以进行有用计算的机器需要拥有数百万个物理量子位。

但近几个月来，物理学家对一种称为量子低密度奇偶校验（qLDPC）的替代纠错方案越来越感兴趣。

根据 IBM 研究人员的 1 号预印本，这一数字将减少 10 倍或更多。该公司表示，现在将专注于构建芯片，该芯片旨在在 400 个左右的物理量子位中容纳一些经过 qLDPC 校正的量子位，然后将这些芯片连接在一起。

马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的物理学家 Mikhail Lukin 表示，IBM 的预印本是 “出色的理论著作”。

“话虽这么说，用超导量子位实现这种方法似乎极具挑战性，甚至可能需要数年时间才能在这个平台上尝试概念验证实验，” Lukin 说。

问题是 qLDPC 技术要求每个量子位直接连接到至少 6 个其他量子位。在传统超导芯片中，每个量子位仅连接到 2-3 个相邻量子位。

但位于纽约约克敦高地 IBM 托马斯·J·沃森研究中心的凝聚态物理学家兼 IBM Quantum 首席技术官 Oliver Dial 表示，该公司有一个计划：它将在其量子计算机的设计中添加一层量子芯片，以允许 qLDPC 方案所需的额外连接。

IBM 量子副总裁 Jay Gambetta 表示，该公司一直在采取双轨方法来准备硬件，包括开发持续大量制造高质量量子位的能力。

他表示，超过 1121 个超导量子位的 Condor 表明该公司在这方面处于良好状态，IBM 在周一推出了这款处理器。

“它的量子位小了大约 50%，” Gambetta 对媒体表示，“收益率就在那里——我们的收益率接近 100%。”

IBM 一直致力于研究的第二个问题是，限制对单个或成对的量子位进行操作时发生的错误。

改变量子位的状态会产生微妙的信号，这些信号可能会渗透到相邻量子位中，这种现象就是所谓的串扰。“苍鹭” 在新型处理器中属于较小的一款，代表了 IBM 研发团队 4 年来为提高门性能所做的努力。

“这是一个漂亮的设备，” Gambett 说，“它比以前的设备好 5 倍，错误少得多，而且串扰无法真正测量。”

量子计算何时能实现商业化？

尽管这项量子计算研究具有里程碑意义，但截至目前仍无法实现商业化。

“这一直是一个梦想，而且一直是一个遥远的梦想，” Dial 说，“实际上，让它足够接近，让我们能够看到我们今天所处的位置，对我来说是巨大的。”

IBM 将其量子开发路线图延长 10 年至 2033 年，以构建计算、纠错能力更强大的系统。

另外，到 2024 年底，IBM 计划在美国、加拿大、日本和德国建立八个量子计算中心，以确保研究人员广泛使用量子系统二号。

Gambetta 同时表示：“我们需要一段时间才能从科学价值转向商业价值。” “但在我看来，研究和商业化之间的区别正在变得越来越紧密。”

IBM 研究人员表示，最近的进展增强了他们对量子计算长期潜力的信心，尽管他们没有预测量子计算何时会进入商业主流。