美國量子計算重大突破, 人類文明可能已再次處於大突破的巨變前夜

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美國量子計算重大突破人類又迎來巨變的前夜?

發布：2023年12月05日 17:21來源：科學頻道

美國量子計算機可能已取得革命性的重大突破，IBM公司昨天（12月4日）正式推出了第三代量子芯片Heron，以及基於Heron的IBM量子係統2（IBM Quantum System Two），這是世界上第一台模塊化的實用量子計算機。在美國哥倫比亞廣播公司的60分鍾專題節目中，IBM高級副總裁兼研究總監達裏奧·吉爾宣稱：此時時刻，我們感覺就像是上世紀四五十年代，先驅者們正在建造第一台電子計算機。主持人斯科特·佩利則稱，希望我們今天能解釋得更清楚，這樣您就不會因可能改變人類文明的突破而措手不及了。

簡單來說，在昨天召開的IBM量子峰會上，IBM發布了兩款量子芯片、一台量子計算機、一個量子編程軟件、自動量子編程的AI模型以及未來10年的量子計算機發展路線圖，人類文明可能已再次處於大突破的巨變前夜。

IBM Condor量子芯片（1121量子比特）Condor（禿鷹）是一款基於交叉諧振門技術的1121量子比特超導量子芯片，這是世界上第一個超過1000量子比特的量子處理器。此前IBM已發布了Eagle（鷲，127量子比特）、Osprey（魚鷹，433量子比特）兩種量子芯片，Condor將量子位密度提高了 50%，但性能和之前的433量子位Osprey相當。這意味著在相同的麵積內，可以容納更多的量子位，對於提高量子計算機的性能和可擴展性具有重要意義。

Conder單個稀釋製冷器內包含了超過一英裏的高密度低溫柔性IO布線，突破了芯片設計的規模和產量極限，是一個裏程碑式的創新，解決了規模問題並為未來的硬件設計提供了信息。

IBM Quantum Heron量子芯片（133量子比特）Heron（鷺）是IBM最新的第三代量子芯片，是迄今為止IBM性能指標最高的量子芯片，是IBM未來量子計算機的基石。有人可能覺得，量子比特數反而減少了，怎麽還性能最高，還是基石呢？

Heron是IBM新一代架構的處理器，具有133個固定頻率量子位和可調諧耦合器，與之前127量子比特的Eagle相比，性能提高了3-5 倍，錯誤率減少了5倍，幾乎完全消除了串擾。串擾是指一個量子位的狀態被其他量子位幹擾，會對量子計算的準確性產生負麵影響。Heron芯片幾乎消除了這種串擾，這意味著它在執行量子計算時，準確性和可靠性更高。

並且通過Heron，IBM還開發了一種新的量子位和量子門技術，所謂量子門技術，就是量子位的操控技術，這是IBM未來硬件路線圖的基礎。

Heron處理器的架構意味著多個量子芯片可以互相連接起來，構建模塊化的量子計算機，也就是說IBM可以通過簡單地增加芯片數量來擴大量子計算機的規模，這是Heron量子處理器最大、最關鍵的突破。

IBM Quantum System Two（IBM量子係統2）IBM量子係統2配備了3個Heron量子芯片，位於紐約州約克敦高地的實驗室，寬6.7米，高4.6米，每個六邊形的單元重達9噸。Heron芯片和筆記本電腦芯片差不多大，為什麽量子計算機的規模和重量卻如此之大呢？

這些體積和重量絕大部分是冷卻係統帶來的，IBM和穀歌的量子計算機都采用約瑟夫森結作為超導量子比特，需要稀釋製冷機提供的超冷超流體來冷卻到15mk以下，並且完全在真空環境中運行，這樣才能保證超導體的量子力學效應。而稀釋製冷機需要氦-3來冷卻，氦-3又是核研究和核計劃的副產品，通常被政府嚴控且非常昂貴。不過我看到2021年新華社的報道說，中科院物理所已研製成功無液氦稀釋製冷機，可以實現10mk以下的極低溫。

約瑟夫森結像一個三明治，由兩個超導體中間夾一個絕緣層構成，低溫下電子通過超導體時，會配對形成庫珀對，從而可以量子隧穿通過絕緣層。通過向約瑟夫森結發射微波光子，就能操控它們並保存、更改和讀出單個量子比特的信息。製造約瑟夫森結的超導電纜需要專門設計，傳熱極少，以避免破壞製冷機內量子比特的微妙量子態，維基百科稱這種超導電纜隻有日本公司Coax能製造，非常難以獲得。

IBM這次發布的重頭戲就是IBM量子係統2，這是一種適用於公用事業規模工作的模塊化量子計算架構，可以利用並行性、並發量子、經典計算及動態電路執行，以實現量子為中心的超級計算。IBM量子係統2最大的突破就是它六邊形的模塊化設計，便於擴展到多個量子處理器的連接，從而形成更大的量子計算機，對於實現大規模量子計算具有重要意義，並且支持未來所有的IBM量子芯片。

Qiskit 1.0發布Qiskit是世界上使用最廣泛的開源量子編程軟件，Qiskit 1.0發布了許多新功能，可以幫助計算科學家輕鬆、快速地構建和運行量子算法，包括新的量子電路模擬器、新的量子電路編輯器和新的量子電路執行器，有助於推動量子計算的應用和普及。

生成式AI自動編碼IBM還展示了一種生成式AI模型，可利用 WatsonX 人工智能平台來生成量子代碼，可用於自動進行量子代碼開發並優化量子電路，有助於提高量子計算的效率和自動化水平。

IBM未來十年量子開發路線圖在這次峰會上，IBM還發布了未來十年的量子開發路線圖。未來將優先考慮門操作的改進，以提高質量實現先進的糾錯係統，而不是讓量子比特數更多。IBM希望讓Heron從2024年達到5000個門操作開始，到2029年實現1億個的突破，2033年突破10億個。

糾錯係統是量子計算係統的關鍵組成部分，這是因為量子比特的量子態極為脆弱，周圍環境的任何微小改變，包括係統的晶格振動和背景熱核自旋，都可能導致量子態被破壞，這就叫退相幹，所以整個係統需要冷卻到20mk之內。但即使這樣，量子態的相幹時間也隻能維持在納秒到秒之間，從而導致錯誤的增加和累積，這就需要進行量子糾錯才能進行實用的量子計算。

IBM正在開發各種軟件硬件來實現糾錯，Heron性能的提升，得益於一種叫量子低密度奇偶校驗（qLDPC）的新的糾錯策略，也就是用多個物理量子比特來代表一個量子信息比特，這個稱為邏輯量子位，可以在400個左右物理量子比特中容納一些經過qLDPC校正的量子比特，然後把這些芯片連接在一起，從而大幅減少錯誤率。

所以看看，世界上第一台電子計算機占地170平方米，重達30噸，IBM量子係統2也是占地數十平方米，重達9噸，所以IBM說像是回到上世紀四五十年代，正在建造第一台電子計算機還真的很形象。

數十年前，電子計算機徹底改變了人類文明，今天量子計算機也可能再次改變人類文明，再加上人工智能、星艦，所以我們現在可能真的正處於文明巨變的前夜。

隻是電子計算機從樓房大小到可以放到桌麵上用了幾十年，量子計算機可能用不了那麽久。在哥倫比亞廣播公司的節目中，主持人佩利問穀歌工程副總裁、量子人工智能實驗室負責人哈特穆特·內文，人類什麽時候能製造一個真正的量子計算機係統，內文說在這個10年結束的時候，也就是2030年前。IBM副總裁達裏奧·吉爾也稱對5年內實現這個目標充滿信心。