回首 1969年，人類克服了空前的技術(shù)障礙，掀開新的歷史篇章：載人成功登月并安全返航。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)功能強(qiáng)大，但人類卻依舊無法自如地用計(jì)算機(jī)精確捕捉浩渺宇宙中最為精細(xì)的部分。除非跳出思維局限，不再桎梏于已知的計(jì)算世界，否則打造真正捕捉原子運(yùn)動(dòng)并可利用這些行為解決某些最棘手的時(shí)代問題幾乎是天方夜譚。不過，與登月計(jì)劃一樣，終極目標(biāo)在于領(lǐng)略全新的世界，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法做到：但我們希望打造一臺(tái)大型量子計(jì)算機(jī)。未來的量子計(jì)算機(jī)將彌補(bǔ)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的缺憾，控制原子運(yùn)動(dòng)軌跡，面向各行各業(yè)推廣運(yùn)行革命性應(yīng)用，鑄就改變世界的材料或者轉(zhuǎn)變當(dāng)前的業(yè)務(wù)模式。

今天，我們公開發(fā)布發(fā)展藍(lán)圖，堅(jiān)信在它的指引下，必定可以擺脫當(dāng)前嘈雜的小型設(shè)備，順利步入百萬級以上量子比特設(shè)備時(shí)代。我們的團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)一套更大、更好的可擴(kuò)展式處理器，目標(biāo)是在 2023年底推出千級以上量子比特設(shè)備 (1,000-plus qubit device) IBM Quantum Condor。為超越 Condor，推出更大位級的設(shè)備，我們正在積極開發(fā)稀釋制冷機(jī) (Dilution refrigerator)，規(guī)模遠(yuǎn)超過目前市售的任何稀釋制冷機(jī)。根據(jù)這一發(fā)展藍(lán)圖，我們將發(fā)揮行業(yè)領(lǐng)先的知識(shí)、多學(xué)科團(tuán)隊(duì)和敏捷方法，對這些系統(tǒng)的各個(gè)層面實(shí)施改進(jìn)，朝百萬級以上量子比特處理器的未來目標(biāo)持續(xù)邁進(jìn)。一直以來，硬件發(fā)展藍(lán)圖始終是實(shí)現(xiàn)崇高使命的關(guān)鍵：設(shè)計(jì)一款全堆棧量子計(jì)算機(jī)，通過云進(jìn)行部署，使全球每一位用戶都能參與編程。

IBM Quantum 團(tuán)隊(duì)打造量子處理器 — 即依靠基本粒子的數(shù)學(xué)運(yùn)算來擴(kuò)展計(jì)算能力，運(yùn)行的電路為量子電路，并非數(shù)字計(jì)算機(jī)的邏輯電路。通過人造原子的電子量子態(tài)表示數(shù)據(jù)，稱之為超導(dǎo)跨子量子位 (Superconducting Transmon Qubits)，這些量子位通過微波脈沖序列連接和操縱，以便運(yùn)行量子電路。但是，由于與外界的相互作用，量子位很快就會(huì)偏離它們的量子態(tài)。團(tuán)隊(duì)當(dāng)前面臨的最大挑戰(zhàn)在于，如何在錯(cuò)誤率較低的前提下，在足夠長的時(shí)間內(nèi)控制超大規(guī)模的量子位系統(tǒng)，從而保證未來量子應(yīng)用所需的復(fù)雜量子電路能夠正常運(yùn)行。

探索超導(dǎo)量子位，向更大的系統(tǒng)擴(kuò)展

IBM 自 2005年左右開始探索超導(dǎo)量子位，增加相干時(shí)間、減少誤差，實(shí)現(xiàn)了多量子位設(shè)備。而后從量子位到編譯器等系統(tǒng)各層次的不斷細(xì)化和改進(jìn)，2016年推出首臺(tái)支持云端的量子計(jì)算機(jī)。對此，我們深感自豪。如今，我們依托 IBM 云計(jì)算運(yùn)行二十余個(gè)穩(wěn)定系統(tǒng)，供客戶和廣大公眾試用，包括 5 量子比特 IBM Quantum Canary 處理器和 27 量子比特 IBM Quantum Falcon 處理器——而且近期還在其中一個(gè)處理器中運(yùn)行足夠長的量子電路，宣布量子體積達(dá)到 64。這項(xiàng)偉大的意義不在于增加量子比特；相反，我們對編譯器實(shí)施多重改進(jìn)，優(yōu)化雙量子比特門校準(zhǔn)，并根據(jù)微波脈沖調(diào)整對“干擾信息的處理和讀出”進(jìn)行升級。為此，務(wù)必以硬件建設(shè)為基礎(chǔ)，采用獨(dú)特工藝達(dá)到世界領(lǐng)先的設(shè)備指標(biāo)，以便獲得可靠的性能。

在努力改進(jìn)小型設(shè)備的同時(shí)，IBM 還積極總結(jié)過往經(jīng)驗(yàn)，繪制宏偉藍(lán)圖，向更大的系統(tǒng)擴(kuò)展。事實(shí)上，本月 IBM 已面向內(nèi)部 IBM Q Network 成員發(fā)布 65 量子比特 IBM Quantum Hummingbird 處理器。該設(shè)備能夠 8:1 讀出多路復(fù)用 (Multiplexing)，這意味著可以將八個(gè)量子比特的讀出信號(hào)合并為一個(gè)，減少讀出流程所需的布線和組件總量，提高量子計(jì)算機(jī)的規(guī)模擴(kuò)張能力，并且能夠同時(shí)保留 Falcon 這一代處理器的所有高性能特性。大幅縮短相關(guān)控制系統(tǒng)的信號(hào)處理等待時(shí)間，為即將出現(xiàn)的反饋和前饋系統(tǒng)能力提升做好準(zhǔn)備，屆時(shí)將可以一面運(yùn)行量子電路，一面根據(jù)經(jīng)典條件控制量子比特。

明年，我們將推出 127 量子比特 IBM Quantum Eagle 處理器。為突破 100 量子比特里程碑，Eagle 進(jìn)行了多項(xiàng)升級：最重要的是，通過硅通孔 (TSVs) 和多層布線有效扇出大密度經(jīng)典控制信號(hào)，同時(shí)保護(hù)分離層中的量子比特以保持高相干時(shí)間。與此同時(shí)，通過 Falcon 引入的雙量子比特門(Two-qubit gates)和六邊形量子比特布局(Hexagonal qubit arrangement)的固定頻率方法，巧妙平衡連通性與減少串?dāng)_誤差。這種量子比特布局有利于實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)去年首次展示的“重六邊形”糾錯(cuò)編碼( “Heavy-hexagonal” error correcting code) 。隨著物理量子比特?cái)?shù)量的不斷擴(kuò)展，還能夠進(jìn)一步探索它們?nèi)绾我约m錯(cuò)邏輯量子比特的形式共同運(yùn)行 —— 我們設(shè)計(jì)的每一款處理器均充分考慮容錯(cuò)問題。

在 Eagle 處理器中，我們還將引入并發(fā)實(shí)時(shí)經(jīng)典計(jì)算能力，使其能夠執(zhí)行更廣泛的量子電路和代碼。

依托成熟的小型處理器設(shè)計(jì)原則，預(yù)計(jì)將在 2022年發(fā)布 433 量子比特 IBM Quantum Osprey 系統(tǒng)。控制結(jié)構(gòu)和低溫基礎(chǔ)架構(gòu)更高效、更密集，避免處理器在擴(kuò)大規(guī)模的過程中犧牲單個(gè)量子比特的性能，也不會(huì)引入更多的噪聲源或占用太大的空間。

探索復(fù)雜的潛在量子優(yōu)勢，超越全球最優(yōu)超級計(jì)算機(jī)的開發(fā)速度

2023年，我們將首次推出 1,121 量子比特 IBM Quantum Condor 處理器。總結(jié)前幾代處理器的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，繼續(xù)減少關(guān)鍵雙量子比特錯(cuò)誤，以便運(yùn)行更長的量子電路。在我們看來，Condor 既是轉(zhuǎn)折點(diǎn)，又是重大里程碑，標(biāo)志著 IBM 有能力實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)、擴(kuò)大設(shè)備規(guī)模，同時(shí)還能探索復(fù)雜的潛在量子優(yōu)勢 —— 更高效地處理量子計(jì)算機(jī)面臨的問題，超越全球最優(yōu)超級計(jì)算機(jī)的開發(fā)進(jìn)度。

打造 Condor 離不開開發(fā)活動(dòng)，解決量子計(jì)算機(jī)規(guī)模擴(kuò)大過程中面臨的一些最緊迫的問題。然而，隨著 IBM 的探索超越千級量子比特，當(dāng)今的商用稀釋制冷機(jī)將無法再對如此龐大而復(fù)雜的設(shè)備進(jìn)行有效冷卻和隔離。

因此，我們還推出 10英尺高、6英尺寬的“超級制冷機(jī)”，內(nèi)部代號(hào)為“Goldeneye”，規(guī)模超過當(dāng)前市場上的任何一款商用稀釋制冷機(jī)。團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)這款巨型制冷機(jī)時(shí)已有意開發(fā)百萬級量子比特系統(tǒng)，而且已啟動(dòng)基本可行性測試。

最后，IBM 設(shè)想的未來十分理想：量子與稀釋制冷機(jī)相互連接，每臺(tái)稀釋制冷機(jī)容納百萬量子比特，好比通過內(nèi)聯(lián)網(wǎng)連接超級計(jì)算機(jī)處理器，打造足以改變世界的大規(guī)模并行量子計(jì)算機(jī)。

掌握發(fā)展方向并不能消除障礙；科技發(fā)展史上最嚴(yán)峻的一些挑戰(zhàn)近在眼前。但是，在清晰愿景的指引下，我們有理由相信，十年內(nèi)將有望打造出容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)。

Jay Gambetta

IBM 院士，IBM Quantum 副總裁

責(zé)任編輯：PSY

原文標(biāo)題：IBM 量子技術(shù)擴(kuò)展藍(lán)圖

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