IBM計劃10年內建成10萬量子比特的量子計算機_風聞

   當地時間5月22日，在日本廣島舉行的G7峯會上，美國科技公司、量子計算行業的“藍色巨人”IBM宣佈了一項為期10年、耗資1億美元的計劃——該公司將與東京大學和芝加哥大學合作建造由10萬個量子比特（量子信息處理的基本單位）驅動的量子計算機。如果該計劃實現，將能夠解決一系列世界上迫切需要解決的問題，例如找出新藥物、探索暗物質、破譯密碼等，迎來以量子為中心的超級計算機時代。

近日，美國《麻省理工學院技術評論》根據對IBM量子業務副總裁傑·甘貝塔（Jay Gambetta）的採訪，詳細介紹了這項新計劃的內容。

IBM的10萬個量子比特驅動的量子計算機概念渲染圖，預計將於2033年部署

     

“以量子為中心的超級計算機”

   一直以來，超級計算機都是全球多國重點研發和建設的對象，如美國的“深藍”“沃森（Waston）”和“Frontier”，日本的“富嶽”，芬蘭的“LUMI”，還有中國的“曙光”“天河一號”“天河二號”和“神威·太湖之光”等，都是知名的超級計算機。

   然而，傳統超級計算機不能解決一些經典計算無法處理的複雜問題，這就是量子計算的優勢所在——量子計算利用基本粒子的獨特特性來儲存和處理信息：微觀粒子可以同時以多種能量狀態存在，這種現象被稱為疊加，粒子的狀態可以相互聯繫或糾纏。這意味着信息可以以全新的方式進行編碼和操縱，為許多經典計算架構下不可能完成的計算任務打開了大門。

  以量子為核心的超級計算機有着廣闊的應用前景：可以利用強大的量子計算能力來揭示化學反應和分子過程動力學的新奧秘；幫助研究人員通過模擬更優的碳捕獲方案來應對氣候變化的挑戰；發現製造更清潔、更可持續的電動汽車電池和電網所需的材料；發現更高效、更節能的肥料製造方法等。

  而10萬量子比特的系統，將幫助解決世界上一些最緊迫的問題，即使是當今最先進的超級計算機也可能永遠無法解決或單獨解決這些問題。

  2022年底，IBM發佈了包含433個量子比特的“魚鷹”（Osprey）處理器，創下了最大量子計算系統的紀錄。這一成果為未來更大規模的量子計算機的研發奠定了基礎。

   IBM的願景是，10萬量子比特的量子計算機與最好的經典超級計算機一起工作，在藥物發現、肥料生產、電池性能和許多其他應用方面實現新的突破。“我們稱它為以量子為中心的超級計算機。”IBM量子業務副總裁甘貝塔在採訪中説，“為了實現這一目標，我們已經把目光投向了一個關鍵的里程碑：到2033年實現10萬（量子）比特的系統。”

   會上，IBM表示將推出該系統架構的3個基石：一是新的133量子比特IBM Heron處理器，具有新的兩量子比特門（Binary Gate）以實現更高的性能，還將與未來的擴展兼容，使模塊化連接的處理器能夠擴展計算機的規模。二是推出IBM Quantum System Two，這是一個模塊化和靈活的旗艦系統，目標是在2023年底之前上線。第三是引入量子中間件，這是一組在經典處理器和量子處理器上運行工作負載的工具，包括用於分解、並行執行和重構工作負載的工具，以實現大規模的高效解決方案。

需要更多的“量子計算科學家”

  到目前為止，量子計算機還沒有實現傳統超級計算機無法做到的有用操作，主要是因為這些量子計算機沒有足夠的量子比特，而且系統很容易被環境中的微小擾動破壞，物理學家稱之為噪聲。儘管研究人員一直在探索如何處理噪聲，但大多數人預計，量子系統必須大幅擴展才能將大部分量子比特用於校正噪聲引起的誤差，並在校正後支撐有用的計算。

  另外，量子比特的擴展還面臨着其他問題。目前，IBM的每個超導量子比特的運行功率大約是65瓦。“如果我想做一台擁有10萬量子比特的計算機，那就需要非常多的能源：這相當於要用一個建築物大小的空間、一個核電站和十億美元來造一台機器。”甘貝塔説，“從5000量子比特擴展到10萬量子比特，顯然需要技術創新。”

  目前，IBM已經進行了原理驗證實驗，表明基於“互補金屬氧化物半導體”（CMOS）技術的集成電路可以安裝在冷量子位旁邊，只需幾十毫瓦即可控制它們。

  然而，甘貝塔承認，以量子為中心的超級計算所需的技術尚未實現，這就是為什麼學術研究是該項目重要組成部分的原因。

  兩所大學在技術創新方面的貢獻必不可少。甘貝塔説，東京和芝加哥的研究人員已經在組件和通信創新等領域取得了重大進展，這些領域可能是最終產品的重要組成部分。他認為，未來十年可能會有更多的產學合作。“我們必須幫助大學做他們最擅長的事情。”他説。

  甘貝塔在採訪中強調，這個行業還需要更多的“量子計算科學家”，對於創造機器的物理學家和希望設計並實現有用算法的開發人員之間的分歧，這些“量子計算科學家”可以起到彌合他們的作用。

  除了硬件上的創新，在量子機器上運行的軟件也至關重要。甘貝塔表示，“我們希望儘快建立起這個行業，最好的方法是讓人們開發與我們的經典軟件庫類似的軟件。”

  他表示，這就是為什麼IBM在過去幾年裏一直致力於向學術研究人員提供其系統：IBM的量子處理器可以通過雲服務使用定製的接口來工作。他説，已經有大約2000篇關於使用該公司量子設備進行實驗的研究論文：“對我來説，這個跡象表明創新正在發生。”

難度很大

  IBM表示，他們不能保證為該項目指定的1億美元足以實現10萬量子比特的目標，“實現這一目標肯定有風險。”甘貝塔説。

  新加坡量子軟件開發商Horizon Quantum的首席執行官喬·菲茨西蒙斯（Joe Fitzsimons）對此表示贊同。“這可能不是一段一帆風順的旅程。”他表示。

 “但這是一個必須承擔的風險。”菲茨西蒙斯補充道，行業必須面對失敗的恐懼，並嘗試克服大規模量子計算所面臨的技術挑戰。他認為，儘管存在許多潛在的障礙，但IBM的計劃是合理的。“在這種規模下，控制系統將是一個限制因素，需要大幅發展，以合理有效的方式支持如此大量的量子比特。”他説。

  事實上，IBM並不是第一個有如此雄心的公司。此前，谷歌曾表示，其目標是在21世紀末實現100萬個量子比特，儘管除開糾錯以外只有1萬個量子比特可用於計算；總部位於美國馬里蘭州的IonQ計劃在2028年前實現1024個“邏輯量子比特”的運算，每個邏輯量子比特將包括13個物理量子比特組成的糾錯電路；與谷歌一樣，總部位於美國帕洛阿爾託（Palo Alto）的PsiQuantum也計劃建造一台百萬量子比特的量子計算機。

  另一種觀點是，高調宣傳物理量子比特的數量有點轉移注意力的意味——構建量子比特的技術細節至關重要，這些細節會影響量子比特對噪聲的彈性和操作易用性等因素。相關公司通常會提供額外的性能指標，如“量子體積”和“算法量子比特”的數字。在未來十年，糾錯、量子比特性能和軟件主導的錯誤“緩解”方面的進步，以及不同類型量子比特之間的主要區別，將使這場競賽變得逐漸白熱化。

-----以上摘自《科學網》

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