光子盒研究院出品

9月15日，IBM發(fā)布了一個(gè)技術(shù)路線圖，將在2021年突破100個(gè)量子比特，2023年突破1000個(gè)量子比特，并最終帶領(lǐng)IBM通往百萬量子比特以上級(jí)別的量子計(jì)算設(shè)備。谷歌也計(jì)劃2029年實(shí)現(xiàn)百萬量子比特。

IBM的量子技術(shù)發(fā)展路線圖

一直以來，IBM的硬件路線圖都圍繞著一個(gè)更重要的任務(wù)核心，即設(shè)計(jì)一個(gè)讓全世界的人都能夠編程的、通過云部署的全棧量子計(jì)算機(jī)。

量子比特?cái)?shù)量明年破百，2023年破千

IBM量子團(tuán)隊(duì)目前面臨的最大挑戰(zhàn)是，如何在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，以非常少的誤差控制這些量子比特的大型系統(tǒng)，并能夠承擔(dān)運(yùn)行未來量子應(yīng)用所需的復(fù)雜量子電路的重任。

IBM量子團(tuán)隊(duì)正在研究如何在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)以較少誤差控制越來越大的量子比特系統(tǒng)，使其能夠用來運(yùn)行未來量子應(yīng)用所需的復(fù)雜計(jì)算

IBM從2000年代中期開始探索超導(dǎo)量子比特，增加相干時(shí)間，減少誤差，并在2010年代早期啟用多量子比特器件。從量子比特到編譯器，量子計(jì)算機(jī)在各個(gè)層面的不斷改進(jìn)和進(jìn)步，使IBM能夠在2016年將第一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)接入云中。

現(xiàn)在，IBM通過云平臺(tái)為客戶和公眾提供了20多個(gè)量子計(jì)算系統(tǒng)來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，包括5－Qubit IBM Quantum Canary處理器和27－Qubit IBM Quantum Falcon處理器，其中一臺(tái)實(shí)現(xiàn)了64的量子體積（QV）。IBM對(duì)編譯器的雙量子比特門的校準(zhǔn)進(jìn)行了改進(jìn)，并根據(jù)對(duì)微波脈沖的調(diào)整、對(duì)噪聲的處理和讀出進(jìn)行了升級(jí)。

在努力改進(jìn)小型設(shè)備的同時(shí)，IBM也在積極將以往的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)進(jìn)行整合、擴(kuò)展到更大系統(tǒng)的路線圖中。事實(shí)上，這個(gè)月IBM在內(nèi)部向IBM Q Network的成員發(fā)布了65－Qubit IBM Quantum Hummingbird處理器。

該設(shè)備能夠8：1讀出多路復(fù)用，這意味著可以將8個(gè)量子比特的讀出信號(hào)合并為一個(gè)，減少了讀出所需的布線和組件總量，提高了量子計(jì)算機(jī)的規(guī)模擴(kuò)張能力，并且能夠同時(shí)保留Falcon 1代處理器的所有高性能特性。

2021年，IBM將推出127－Qubit Eagle處理器。為了實(shí)現(xiàn)里程碑式的100－Qubit 處理器，Eagle進(jìn)行了多項(xiàng)升級(jí)。其中最重要的一點(diǎn)是，通過硅通孔（TSVs）和多層布線，提供了有效扇出大量經(jīng)典控制信號(hào)的能力，同時(shí)保護(hù)了分離層中的量子比特，以保持高相干時(shí)間。

與此同時(shí)，IBM通過Falcon引入的雙量子比特門和六邊形量子比特布局的固定頻率方法，在連通性和減少串?dāng)_誤差之間取得了微妙的平衡。這種量子比特的布局將使IBM能夠?qū)崿F(xiàn)去年首次亮相的“重六邊形”糾錯(cuò)編碼。

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

為小型處理器建立的設(shè)計(jì)原則將會(huì)幫助IBM在2022年發(fā)布433－Qubit Osprey系統(tǒng)。更高效、更密集的控制和低溫的基礎(chǔ)設(shè)施將確保處理器在擴(kuò)大規(guī)模的時(shí)候不會(huì)犧牲掉單個(gè)量子比特的性能，不會(huì)引入更多的噪聲源或占用太大的空間。

2023年，IBM將首次推出1121－Qubit Condor處理器。在總結(jié)前代處理器的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的同時(shí)，繼續(xù)降低關(guān)鍵的雙態(tài)量子錯(cuò)誤，使其能夠運(yùn)行更長(zhǎng)的量子電路。

通往百萬量子比特，實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)勢(shì)

IBM認(rèn)為Condor是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)、一個(gè)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，并能夠同時(shí)探索復(fù)雜的潛在量子優(yōu)勢(shì)，最終使量子計(jì)算機(jī)的研究比起開發(fā)世界上最好的超級(jí)計(jì)算機(jī)來說更有效率。

建造Condor所需的開發(fā)過程，將解決量子計(jì)算機(jī)規(guī)模擴(kuò)大期間的一些最緊迫的問題。然而，隨著IBM探索的領(lǐng)域超過了1000個(gè)量子比特，今天的商用稀釋冰箱將不再能夠有效地冷卻和隔離這樣巨大而復(fù)雜的設(shè)備。

這就是為什么IBM還推出了一種比目前市面上任何一種冷卻裝置都要大的，10英尺高、6英尺寬的“超級(jí)冰箱”，內(nèi)部代號(hào)為“Goldeneye”。IBM團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)這個(gè)龐然大物時(shí)考慮到了百萬量子比特的系統(tǒng)，并且已經(jīng)開始了基本的可行性測(cè)試。

最終，IBM設(shè)想的未來是量子互聯(lián)連接稀釋冰箱，每臺(tái)冰箱都能容納一百萬個(gè)量子比特，就像內(nèi)部網(wǎng)連接超級(jí)計(jì)算機(jī)處理器一樣，創(chuàng)造出能夠改變世界的大規(guī)模并行量子計(jì)算機(jī)。

中國(guó)奮起直追，但仍存在差距

目前，全球范圍內(nèi)已經(jīng)推出量子計(jì)算機(jī)的公司只有IBM、谷歌、霍尼韋爾、Rigetti、IonQ、D－Wave、Xanadu、本源量子等少數(shù)幾家。

2020年，除了IBM，霍尼韋爾在6月推出了型號(hào)為H?的六量子位離子阱計(jì)算機(jī)（量子體積64）現(xiàn)已上市，該系統(tǒng)具有高保真度、完全連接的量子比特，使量子開發(fā)者能夠設(shè)計(jì)更深層、更有意義的電路。

IBM的目標(biāo)是保持量子體積每年翻一番，但霍尼韋爾預(yù)計(jì)在未來五年內(nèi)，其量子計(jì)算機(jī)的性能每年將提高10倍。

9月，加拿大Xanadu發(fā)布全球首個(gè)光量子計(jì)算云平臺(tái)，開發(fā)人員可以基于云訪問Xanadu的光量子計(jì)算機(jī)，包括8量子位和12量子位兩個(gè)版本，24量子位的版本預(yù)計(jì)在下個(gè)月推出。這家初創(chuàng)公司預(yù)計(jì)，每六個(gè)月，其云中的量子比特?cái)?shù)量將“大約翻一番”。

在國(guó)內(nèi)，本源量子擁有6個(gè)超導(dǎo)量子比特的量子計(jì)算機(jī)，對(duì)標(biāo)的是IBM于2017年在云端發(fā)布的5比特量子計(jì)算機(jī)。但在量子邏輯門保真度、量子比特讀取的保真度上，本源量子均超出了IBM在2017年的指標(biāo)。雙方的差距不到3年。

同時(shí)，本源量子正在研發(fā)24量子比特芯片，并預(yù)計(jì)2021年推出60個(gè)量子比特的設(shè)備；另外，中科大潘建偉院士團(tuán)隊(duì)透露將在2020年底實(shí)現(xiàn)60個(gè)量子比特，接近IBM目前擁有的量子比特?cái)?shù)量。

但根據(jù)IBM最新的路線圖，明年實(shí)現(xiàn)127個(gè)量子比特，Rigetti也在為128個(gè)量子比特努力。隨著時(shí)間推移，2023年IBM將突破1000個(gè)量子比特，很可能拉大與中國(guó)的差距。

但我們也不必太過悲觀，Martinis在2013年加入谷歌之初也聲稱5年內(nèi)能造出1000個(gè)量子比特以上的芯片，然而到2019年才實(shí)現(xiàn)了53個(gè)量子比特。

中國(guó)量子計(jì)算機(jī)，是時(shí)候加速了！