谷歌將在 2023 年年底前研制出超過 1000 位的量子處理器？

據(jù)報道，IBM 公司近日公布了其量子計算機(jī)發(fā)展路線圖，其中包括到 2023 年建造一臺包含 1000 個量子比特的量子計算機(jī)。據(jù)悉，IBM 目前最先進(jìn)的量子計算機(jī)僅包含 65 個量子比特。

IBM 的新計劃還包括在 2021 年和 2022 年分別建成包含 127 個和 433 個量子比特的中型量子計算機(jī)，并計劃未來某一天創(chuàng)建出包含 100 萬個量子比特的量子計算機(jī)。IBM 研究總監(jiān)達(dá)里奧·吉爾表示，他對自己的團(tuán)隊能夠按時圓滿完成計劃充滿信心。

IBM 公司稱，公布最新路線圖有助其客戶和合作伙伴心中有數(shù)。吉爾解釋說，有數(shù)十家量子計算初創(chuàng)公司使用IBM 當(dāng)前的機(jī)器來開發(fā)自己的軟件產(chǎn)品，了解 IBM 的發(fā)展路線圖應(yīng)該可以幫助開發(fā)人員更好地針對硬件進(jìn)行調(diào)整。

研究人員表示，一臺容納 1000 個量子比特的量子計算機(jī)是通往成熟量子計算機(jī)道路上特別重要的里程碑，盡管這樣的機(jī)器仍然無法發(fā)揮量子計算機(jī)的全部潛力，例如破解當(dāng)前的互聯(lián)網(wǎng)加密方案，但它足以發(fā)現(xiàn)并糾正通常困擾量子比特的無數(shù)微小錯誤。這臺機(jī)器將成為一個“拐點”，自此，研究人員的重點將從降低單個量子比特的錯誤率轉(zhuǎn)向優(yōu)化整個系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和性能。

IBM 并非量子計算機(jī)爭霸賽中唯一的玩家，谷歌公司也是這場角逐中的有力競爭者。去年 10 月 23 日，谷歌研究人員在英國《自然》雜志發(fā)表論文說，他們已經(jīng)成功演示了“量子霸權(quán)”：其 53 個量子比特的系統(tǒng)花費約 200 秒完成了傳統(tǒng)超級計算機(jī)要 1 萬年才能完成的任務(wù)?！傲孔影詸?quán)”是美國加州理工學(xué)院物理學(xué)家約翰·普瑞斯基爾發(fā)明的名詞，用來表示“在存儲和通信帶寬呈指數(shù)級增加后，量子計算機(jī)擁有傳統(tǒng)超級計算機(jī)所不具有的能力”。

今年 4 月，谷歌量子人工智能實驗室主任哈特穆特·奈文在一次采訪中表示，谷歌計劃在 10 年內(nèi)建造一臺容納 100 萬個量子比特的量子計算機(jī)，不過，他拒絕透露具體的日程表。

IBM 在紐約舉行了新量子計算中心開幕儀式，并推出全球首臺 53 位量子計算機(jī)。

恰好過去一年，IBM 就宣布了其量子計算技術(shù)路線圖，而這也是其首次公布未來量子計算硬件的規(guī)劃。

IBM 表示，正朝著在 2023 年年底前研制出超過 1000 位的量子處理器的目標(biāo)努力，有朝一日還將推出超過一百萬位的處理器。

1969 年，人類克服了前所未有的技術(shù)阻礙，首次登上月球、創(chuàng)造歷史。時至今日，人類卻依舊無法自如地用計算機(jī)精確捕捉浩渺宇宙中最為精細(xì)的部分。

正如 IBM 所說：如果把思維局限于我們所知道的計算世界中，建造一個能真正捕捉原子運(yùn)動的裝置，用以解決我們這個時代最具挑戰(zhàn)性的問題，幾乎是天方夜譚。

但正如登月一般，研究人員的一個宏大目標(biāo)是：造出一臺能夠超越傳統(tǒng)計算機(jī)的大型量子計算機(jī)。

本質(zhì)上講，所謂量子計算就是將量子力學(xué)和計算理論結(jié)合，充分利用量子的疊加、糾纏、干涉等特性，展現(xiàn)出強(qiáng)大的計算能力。

而研制量子計算機(jī)，核心就是量子級計算機(jī)處理器，它能夠幫助量子計算機(jī)進(jìn)行高速運(yùn)算、處理量子信息。

具體來講，量子處理器依靠基本粒子的數(shù)學(xué)運(yùn)算來擴(kuò)展計算能力，運(yùn)行的電路為量子電路，并非數(shù)字計算機(jī)的邏輯電路。用人造原子的電子量子態(tài)來表示數(shù)據(jù)，被稱為超導(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。

但存在一個問題，由于與外界的相互作用，量子位很快就會忘記它們的量子態(tài)。

對此，IBM 表示：我們團(tuán)隊當(dāng)前面臨的最大挑戰(zhàn)是，如何在錯誤率較低的前提下，在足夠長的時間內(nèi)控制這些量子位系統(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。

基于上述目標(biāo)與挑戰(zhàn)，IBM 向外公開了其量子計算技術(shù)路線圖。

目前，IBM 量子處理器已達(dá)到 65 位。

據(jù) IBM 稱，就在本月，量子團(tuán)隊向 IBM Q Network 成員發(fā)布了 65 位處理器，即「IBM 量子蜂鳥」（IBM Quantum Hummingbird）?；谠撎幚砥?，8 個量子位的讀出信號可以合并成一個，讀出所需的布線、組件總量因而減少。

IBM 未來的大致計劃如下：

2021 年推出 127 位 IBM 量子鷹處理器（ IBM Quantum Eagle）

2022 年推出 433 位 IBM 量子魚鷹處理器（IBM Quantum Osprey ）

2023 年推出 1121 位 IBM 量子禿鷹處理器（ IBM Quantum Condor）

值得一提的是，2023 年將推出的 IBM 量子禿鷹處理器將在前幾代處理器的基礎(chǔ)之上繼續(xù)降低關(guān)鍵的兩個量子位誤差，以便更好地運(yùn)行量子電路。

按照 IBM 的說法：IBM 量子禿鷹處理器既是一個轉(zhuǎn)折點，也是一個里程碑。這款處理器標(biāo)志著我們有能力進(jìn)行糾錯、有能力擴(kuò)大量子設(shè)備規(guī)模。同時它也足夠復(fù)雜，能夠探索潛在的量子優(yōu)勢，量子計算機(jī)將比全球最先進(jìn)的超算更為有效地解決問題。

據(jù)介紹，IBM 團(tuán)隊目前正在：

開發(fā)一套可擴(kuò)展的、更為大型的、性能更加的處理器；

開發(fā)一種用于存放更大型處理器的容器「稀釋冷卻箱」（dilution refrigerator），這一冷卻箱 10 英尺高、6 英尺寬；

開發(fā)一種將多個單元連接起來的技術(shù)，類似于芯片中的多核架構(gòu)。

設(shè)計一臺通過云部署的全堆棧量子計算機(jī)，任何人都可以編程。

IBM 的一個最終設(shè)想是：將量子互聯(lián)連接稀釋冷卻箱，每個冷卻箱都有一百萬個量子位，就像內(nèi)聯(lián)網(wǎng)連接超級計算處理器一樣，創(chuàng)造出一個能夠改變世界的大規(guī)模并行量子計算機(jī)。

量子計算會帶來怎樣的革新？

雖然量子計算還處于初級發(fā)展階段，但包括 IBM 在內(nèi)的眾多巨頭早就開始了探索。

早在本世紀(jì) 10 年代，IBM 就通過增加相干時間、減少誤差，實現(xiàn)了多量子位計算機(jī)。而 IBM 的一個目標(biāo)是：讓量子計算機(jī)的性能每年至少翻一番。

2016 年，通過從量子位到編譯器、再到系統(tǒng)各層次的不斷改進(jìn)，IBM 推出了 5 位量子計算機(jī)。

2017 年，IBM 取得重大進(jìn)展，20 位的量子計算機(jī)問世，同時 IBM 還構(gòu)建了 50 位量子計算機(jī)原理樣機(jī)。

同年，IBM 簽署了包括公司、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和國家研究實驗室在內(nèi)的眾多 IBM Q 網(wǎng)絡(luò)合作伙伴，旨在建立一個量子計算生態(tài)系統(tǒng)。

2019 年年初舉行的 CES 上，IBM 推出了 IBM Q System One，即全球首個專為科學(xué)和商業(yè)用途設(shè)計的集成通用近似量子計算系統(tǒng)。

2019 年 9 月 18 日，IBM 舉行了新量子計算中心開幕儀式，新中心配備了 5 臺 20 位量子計算機(jī)。不久后，IBM 還推出第一臺 53 位量子計算機(jī)，這也是當(dāng)時可供外部使用的最大通用量子計算機(jī)。

今年 5 月有外媒報道稱，擁有雄厚資金和技術(shù)實力的 IBM 已經(jīng)擁有了 18 臺量子計算機(jī)。

當(dāng)前巨頭之間的量子計算競爭不斷加速，但量子計算仍面臨著巨大挑戰(zhàn)，量子計算未來將會帶來怎樣的革新，我們拭目以待。
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