最高性能、最低错误率！一年沉寂，IBM王者归来

Original 光子盒研究院光子盒 2024-03-26

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周一，国际商业机器公司（IBM）发布了首台量子计算机，它拥有1000多个量子比特（相当于普通计算机中的数字比特）。但该公司表示，现在它将转变思路，专注于提高机器的抗错能力，而不是扩大机器的规模。

在2023年IBM量子峰会上，IBM技术小组研究负责人达里奥·吉尔 (Dario Gil) 表示，IBM将推出一些项目，这些项目表明量子计算与现有技术结合使用时的威力

多年来，IBM一直遵循量子计算路线图，每年将量子比特的数量翻一番。12月4日发布的这款名为Condor的芯片拥有1,121个超导量子比特，呈蜂巢状排列。这是继2021年的127量子比特芯片和去年的433量子比特芯片之后，又一款以“鸟”命名的创纪录机器。

公司表示，“Condor突破了芯片设计的规模和产量极限，量子比特密度提高了50%，在量子比特制造和层压板尺寸方面取得了进步，并在单个稀释制冷器中包含了超过一英里的高密度低温柔性IO接线。它的性能可与我们之前的433量子比特Osprey相媲美，是一个创新的里程碑，解决了规模问题，并为未来的硬件设计提供了参考。”

量子计算机有望完成经典计算机无法完成的某些计算。它们将通过利用纠缠和叠加等独特的量子现象来实现这一目标，这些现象允许多个量子比特同时存在于多个集体状态中。

但这些量子态也是出了名的善变，容易出错。物理学家曾试图通过“诱骗”多个物理量子比特（每个量子比特都编码在超导电路或单个离子中）共同代表一个量子信息比特或“逻辑量子比特”来解决这个问题。

IBM 的最新款量子处理器Heron提高了量子比特的可靠性，其全新构建的架构将错误减少率提高了五倍

全球首个模块化公用事业级量子计算机系统IBM Quantum System Two

作为新策略的一部分，IBM公司还发布了一款名为“苍鹭”（Heron）的芯片，它拥有133个量子比特，但错误率却创下了历史新低，比其之前的量子处理器低三倍。明年，将有更多的IBM Heron处理器加入IBM行业领先的公用事业级系统。

IBM还发布了IBM Quantum System Two，这是公司首款模块化量子计算机，也是IBM以量子为中心的超级计算架构的基石。它将可扩展的低温基础设施和经典运行时服务器与模块化量子比特控制电子设备结合在一起，该架构结合了量子通信和计算，并由经典计算资源辅助，同时利用中间件层来适当整合量子和经典工作流。

现在，第一台IBM Quantum System Two位于纽约约克敦高地，已开始运行，配备了三台IBM Heron处理器和支持控制的电子设备。

正如今年早些时候， IBM在127量子比特的“IBM Quantum Eagle”处理器上演示的那样，IBM Quantum System现在可以作为一种科学工具，用于探索化学、物理和材料领域的实用级问题，而不是简单地对量子力学进行经典模拟。

自那次演示以来，来自美国能源部阿贡国家实验室、东京大学、华盛顿大学、科隆大学、哈佛大学、Qedma、Algorithmiq、加州大学伯克利分校、Q-CTRL、Fundacion Ikerbasque、多诺斯蒂亚国际物理中心和巴斯克大学等机构以及 IBM 的顶尖研究人员、科学家和工程师扩大了公用事业规模量子计算的演示，以证实其在探索未知计算领域方面的价值。

这些演示表明，器件质量和新功能的进步使我们能够探索更具挑战性的电路，超越量子计算原生问题，利用量子和经典协同工作来扩展系统的范围。

今天，IBM还详细介绍了其新一代软件栈计划，其中Qiskit 1.0将成为以稳定性和速度为定义的支点。此外，为了实现量子计算开发民主化的目标，IBM还发布了Qiskit Patterns。

杰伊·甘贝塔（Jay Gambetta）介绍Qiskit Patterns

Qiskit Patterns将作为一种机制，使量子开发人员能够更轻松地创建代码。它基于一系列工具，可以简单地映射经典问题，使用Qiskit将其优化为量子电路，使用Qiskit Runtime执行这些电路，然后对结果进行后处理。有了Qiskit Patterns和Quantum Serverless，用户就能在云或内部部署等不同环境中构建、部署和执行集成了经典计算和量子计算的工作流。

所有这些工具都将为用户更轻松地构建和运行量子算法提供构建模块。

此外，IBM还通过其企业人工智能平台watsonx率先将生成式人工智能用于量子代码编程。IBM 将整合watsonx提供的生成式人工智能，帮助Qiskit自动开发量子代码。这将通过微调IBM Granite模型系列来实现。

IBM副总裁兼IBM研究员杰伊·甘贝塔（Jay Gambetta）表示：“生成式人工智能和量子计算都正在达到一个拐点，这为我们提供了一个机会，利用watsonx的可信基础模型框架简化量子算法的构建，以进行公用事业规模的探索。"这是朝着拓宽量子计算的访问方式，并将其作为科学探索工具交到用户手中迈出的重要一步。”

借助IBM全球100多个量子比特系统中的先进硬件，以及IBM在Qiskit中首次推出的易于使用的软件，用户和计算科学家现在可以从量子系统中获得可靠的结果，因为他们可以将越来越大、越来越复杂的问题映射到量子电路中。

IBM还可能深入研究其新型可调耦合器架构，开发更高效的纠错码，并利用这些功能来扩展可执行量子电路的门长度。例如，其中一个目标是减少纠错/缓解所需的冗余物理比特数量。

研究人员普遍认为，最先进的纠错技术需要为每个逻辑量子比特配备1000多个物理量子比特。因此，一台能进行有用计算的机器需要有数百万个物理比特。

但最近几个月，物理学家们对一种名为量子低密度奇偶校验位（qLDPC）的替代纠错方案越来越感兴趣。根据IBM研究人员的一份预印本，它有望将这一数字减少10倍或更多。该公司表示，它现在将专注于制造能在400个左右物理量子比特中容纳几个qLDPC校正量子比特的芯片，然后将这些芯片联网。

IBM团队提出了一种硬件高效方案，在可重构原子阵列上使用高速率qLDPC代码执行容错量子计算，直接与最近展示的实验能力兼容

论文链接：

https://arxiv.org/abs/2308.08648

马萨诸塞州剑桥市哈佛大学物理学家米哈伊尔·卢金（Mikhail Lukin）曾评论说，IBM 的预印本是“出色的理论工作”，尽管如此，“用超导量子比特实现这种方法似乎极具挑战性，甚至在这个平台上进行概念验证实验都可能需要数年时间。”卢金和他的合作者对使用单个原子而不是超导回路实现qLDPC的前景进行了类似的研究。

问题在于，qLDPC 技术要求每个量子比特至少与其他六个量子比特直接相连。而在典型的超导芯片中，每个量子比特只与两到三个邻居相连。对于这一技术难题，位于纽约约克城高地的IBM托马斯-J-沃森研究中心的凝聚态物理学家兼IBM量子首席技术官奥利弗·迪亚（Oliver Dial）说，公司已经有了一个计划：将在量子芯片的设计中增加一层，以实现qLDPC方案所需的额外连接。

“IBM的现有技术可以将单个处理器内的量子比特耦合在一起。有了所有这些，我们相信我们已经有了一条将这一代码变为现实并扩展量子效用的前进之路。”

L型耦合器可以扩展量子设备，从而创建更大的系统

总体而言，甘贝塔说：“Condor清楚地表明，我们现在知道了我们的比特和我们将如何扩展。Heron[表明]我们知道未来的门数，这就是为什么我们在路线图中提出明年要从3000门增加到5000门。然后，我们希望从7.5千门到1万门，再到1.5万门，最终达到1亿门。”

IBM Quantum System Two基础设施的推出也是向能够扩展竞争性模块化系统迈出的重要一步。

IBM的Condor和Heron等量子计算机必须保存在IBM Quantum System Two这一精密设备中，该设备使它们保持极冷

有了这些重要基础，再加上量子硬件、理论和软件方面的其他突破，公司正在将其IBM量子发展路线图延长至2033年，并提出了显著提高门操作质量的新目标：这样做将扩大可运行量子电路的规模，有助于大规模实现量子计算的全部潜力。

公司将IBM量子发展路线图延长至2033年，并制定了直至2029年的IBM量子创新路线图

Kookaburra是2026年的下一个主要芯片，它构成了最初的构件，在此基础上，可扩展性和减少误差将发展成为2033年的Blue Jay

在IBM公布的全新量子研究路线图中，IBM计划在十年内实现有用的计算，如模拟催化剂分子的工作。迪亚解释说：“我们正坚定地走在将量子计算机作为探索科学新前沿的工具的时代。随着我们继续推进量子系统如何通过模块化架构进行扩展和实现价值，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，他们将推动更复杂问题的解决。”

“这一直是我们的梦想，也一直是一个遥不可及的梦想。对我来说，让它变得足够接近，让我们能够从今天的位置看到未来的道路，是一件非常了不起的事情。”

人们普遍希望，利用新的硬件和软件工具，将使以领域科学家为主的不断扩大的用户群能够探索所谓的量子公用事业时代，从而构建更多的应用。

“我们有60多家行业客户与我们或我们的合作伙伴合作进行企业实验。我不会坐在这里说他们已经获得了投资回报，但他们实际上已经开始从过去的准备过渡到实际的用例原型。”甘贝塔说：“我很期待我们能看到[其他人的做法]，但这一切都将取决于我们能否发现这些算法。”

凯蒂·皮佐拉托（Katie Pizzolato）负责讨论新兴的量子实用技术时代，以及利用含噪声的小型量子计算机开展生产性工作。

她说：“当我们开始应用更长的电路时，你会在峰会上看到很多关于基础问题的讨论。这意味着什么？我们需要哪些能力来实现更长的电路？我认为，你将在凝聚态和高能物理领域看到很多早期用例，我们正在研究基态和一些地方。这将是一个不断扩展能力、扩展电路，然后将其映射到问题上的过程。”

“我们一直在说，我们需要找到难以经典模拟的电路，然后将其映射到有趣的问题上。我们看到的早期用例肯定是在高能物理和凝聚态空间，这可以转化为一些材料类型的讨论。”

她指出，大多数早期探索的技术水平都在20量子比特以下。“如果按照这个轨迹发展，我们需要很长时间才能达到超越我们正在谈论的这些蛮力经典方法的规模。我们需要一场颠覆性的变革，尝试提高这一标准，为技术创造不同的发展轨迹。我们相信，这种变化和阶跃功能将在六月份实现。”

实际上，描述量子计算的进展仍然具有挑战性。近期的“狭义”量子优势应用是否会先于更深远的阶跃函数量子优势应用出现？纠错和模块化扩展现在是当务之急。一句话：这仍然是一段旅程，但似乎还有更多的小路要走。IBM 似乎非常专注于实现容错计算，同时收获沿途出现的中间机会。

拥有比大多数人更雄厚的资金无疑有助于IBM的发展。但是，关于量子技术在短期和长期内能带来什么，仍然存在着各种各样的争论。

如今，IBM基本上有三种方式访问其量子系统：免费入门，每月约10分钟的访问时间；按需付费，每分钟约96美元；以及预订容量的高级服务。当然，其他大型云提供商：Azure、AWS Braket、谷歌，也提供对日益多样化的量子设备和工具的访问。

最后，甘贝塔补充说：“如果你想做算法研究，尽管量子的价格可能会很昂贵，但在公用事业规模的经典计算机上做这件事的同等价格（如果你甚至做的话）也许是40比特，使用模拟器实际上会更昂贵。”

即使不深入探讨量子比特模式、噪声控制、混合系统等基本问题，要弄清量子计算的发展脉络仍然十分困难：它有如此之多的活动部件。

当被问及量子何时才能带来量子优势或至尊地位时，甘贝塔说：“我们认为量子至尊地位或量子优势是一个分两步走的过程。第一步是能够运行量子电路，而这是用蛮力经典模拟无法做到的。下一步是找出你要运行的量子电路。我有信心，我们已经进入了第一阶段。我们已经成功了：我们可以运行超出蛮力模拟的量子电路。”

“要真正实现第二阶段，即量子优势，其实真的非常非常难。因为当你将量子方法与可能使用不同方法模拟问题的最佳经典方法进行比较时，这种比较就变得非常困难。实际上，我们正是看到了这一点，才[可以]将其作为推动科学发展的工具。这将是这些领域专家之间来回进行的对话，讨论使用量子计算模拟一种方法，使用经典近似方法模拟另一种方法。”

参考链接（上下滑动查看更多）：

[1]https://www.nature.com/articles/d41586-023-03854-1

[2]https://research.ibm.com/blog/quantum-roadmap-2033

[3]https://www.hpcwire.com/2023/12/04/ibm-quantum-summit-two-new-qpus-upgraded-qiskit-10-year-roadmap-and-more/

[4]https://newsroom.ibm.com/2023-12-04-IBM-Debuts-Next-Generation-Quantum-Processor-IBM-Quantum-System-Two,-Extends-Roadmap-to-Advance-Era-of-Quantum-Utility

[5]https://www.ft.com/content/55f03946-25eb-4e52-8ae0-f50474b6b7d8

[6]https://www.theguardian.com/technology/2023/dec/04/ibm-quantum-computer-heron

[7]https://www.reuters.com/technology/ibm-shows-new-quantum-computing-chip-targeting-2033-large-systems-2023-12-04/

[8]https://www.newscientist.com/article/2405789-ibms-condor-quantum-computer-has-more-than-1000-qubits/

[9]https://www.politico.com/newsletters/digital-future-daily/2023/12/04/ibm-promises-a-quantum-leap-00129969

[10]https://www.forbes.com/sites/karlfreund/2023/12/04/ibm-launches-quantum-system-two-and-a-roadmap-to-quantum-advantage/?sh=6bbd225d464c

[11]https://quantumcomputingreport.com/ibm-promises-a-disruptive-leap-for-quantum-in-2024/

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