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IBM的量子飛躍

QuTG_CloudBrain ? 來源:云腦智庫 ? 2023-04-28 11:42 ? 次閱讀

公司的量子技術(shù)將在2023年突破1000量子比特大關(guān)。

IBM的Condor是世界上第一臺突破1000量子比特的通用量子計算機(jī),將于2023年首次亮相。預(yù)計今年IBM還將推出Heron,這是第一款新型模塊化量子處理器,該公司表示,這款處理器可能有助于其在2025年前生產(chǎn)出擁有4000多量子比特的量子計算機(jī)。

雖然針對經(jīng)典計算機(jī)需要億萬年才能解決的問題,理論上量子計算機(jī)可快速找到答案,但今天的量子硬件的量子比特仍然不足,這限制了它的實用性。量子計算所需的糾纏和其他量子態(tài)非常脆弱,易受熱量和其他干擾的影響,這使得增加量子比特的數(shù)量成為一個巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

盡管如此,IBM還是穩(wěn)步增加了其量子比特數(shù)量。2016年,該公司將第一臺量子計算機(jī)放在云端,任何人都可用它做實驗。這臺設(shè)備有5個量子比特,每個量子比特都是冷卻到接近絕對零度的超導(dǎo)電路。2019年,該公司制造了27量子比特的Falcon;2020年,打造了65量子比特的Hummingbird;2021年,推出了127量子比特的Eagle,這是第一款超過100量子比特的量子處理器;2022年,制造了433量子比特的Osprey。

其他量子計算機(jī)比IBM Condor處理器的1121量子比特還要多,例如,D-Wave Systems在2020年推出了一個5000量子比特的系統(tǒng)。但是D-Wave的計算機(jī)專門用于解決優(yōu)化問題,而Condor將是世界上最大的通用量子處理器。IBM量子基礎(chǔ)設(shè)施總監(jiān)杰瑞?周(Jerry Chow)說:“1000量子比特真的挑戰(zhàn)了我們能夠真正集成的極限。”研究人員表示,將讀取和控制所需的線路和其他組件分離到其自己的層上(一種從Eagle開始應(yīng)用的策略),可以更好地保護(hù)量子比特免受破壞,并整合更多的量子比特。“我們會一邊向上擴(kuò)展,一邊學(xué)習(xí)設(shè)計規(guī)則,比如‘這個可以越過這個;這個不能越過這個;這個空間可以用來完成這項任務(wù)。’”周說。

IBM計劃在2023年推出的另一款量子處理器Heron只有133量子比特,與Condor相比可能微不足道。但I(xiàn)BM表示,其升級架構(gòu)和模塊化設(shè)計預(yù)示著一種開發(fā)強(qiáng)大量子計算機(jī)的新策略。Condor使用固定耦合架構(gòu)來連接量子比特,而Heron將使用可調(diào)耦合架構(gòu),在承載量子比特的超導(dǎo)環(huán)路之間增加約瑟夫森結(jié)。這種策略能夠減少量子比特之間的串?dāng)_,提高處理速度,并減少錯誤。(谷歌已在其53量子比特的Sycamore處理器中使用了這樣的架構(gòu)。)

此外,Heron處理器專為相互之間的實時經(jīng)典通信而設(shè)計。這些鏈路的經(jīng)典性質(zhì)意味著它們的量子比特不能在Heron芯片上糾纏,無法以此實現(xiàn)眾所周知的量子處理器計算能力的提升。不過,這些經(jīng)典鏈路使“電路編織”技術(shù)成為可能,在這方面,量子計算機(jī)可以從經(jīng)典計算機(jī)中獲得幫助。

例如,IBM研究人員發(fā)現(xiàn),使用一種名為“糾纏鍛造”的技術(shù),僅用通常所需量子比特的一半便可以模擬量子系統(tǒng)(例如分子)。這種方法將量子系統(tǒng)分成了兩半,在量子計算機(jī)上分別建模,然后使用經(jīng)典計算來計算兩半之間的糾纏,并將模型編織在一起。

雖然處理器之間的這些經(jīng)典鏈路很有幫助,但I(xiàn)BM打算最終取代它們。該公司計劃在2024年推出Crossbill和Flamingo,前者是一款408量子比特處理器,通過短程量子通信鏈路將3塊微芯片耦合在一起,后者是一款462量子比特模塊,計劃通過大約1米長的量子通信鏈路合成一個1386量子比特系統(tǒng)。如果這些連接實驗取得成功,IBM計劃在2025年推出1386量子比特的Kookaburra模塊,使用短程和遠(yuǎn)程量子通信鏈路將3個這樣的模塊結(jié)合成一個4158量子比特的系統(tǒng)。

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日本理化學(xué)研究所理論量子物理實驗室(Theoretical Quantum Physics Laboratory)的首席科學(xué)家弗蘭克?諾雷(Franco Nori)說,IBM“旨在逐步改進(jìn)的策略是非常合理的,而且從長遠(yuǎn)來看很可能會成功”。

2023年,IBM還計劃改進(jìn)其核心軟件,幫助開發(fā)人員在云端統(tǒng)一使用量子計算和經(jīng)典計算。“我們正在為以量子為中心的超級計算機(jī)奠定基礎(chǔ)。”周說,“我們認(rèn)為量子處理器不是完全集成的,而是松散聚合的。”他解釋道,這種框架將具備靈活性,能適應(yīng)量子軟硬件可能經(jīng)歷的不斷升級。

2023年,IBM計劃開始開發(fā)量子軟件應(yīng)用的原型。到2025年,該公司希望將此類應(yīng)用引入機(jī)器學(xué)習(xí)、優(yōu)化問題、自然科學(xué)等領(lǐng)域。

研究人員希望最終使用量子糾錯來彌補(bǔ)量子處理器容易犯的錯誤。這些方案能夠?qū)⒘孔訑?shù)據(jù)分散在冗余量子比特中,每個有用的邏輯量子比特都需要多個物理量子比特。相反,IBM計劃從2024年開始將錯誤緩解方案引入平臺,從源頭防止這些錯誤。但是,即使針對如何解決錯誤的爭論最終以需要更多的量子比特而結(jié)束,IBM應(yīng)該也能夠憑借1121量子比特的Condor等產(chǎn)品處于有利地位。

審核編輯 :李倩

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原文標(biāo)題:IBM的量子飛躍

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