IBM 量子技术扩展蓝图：摆脱嘈杂的小型设备、积极开发稀释制冷机

回首 1969年，人类克服了空前的技术障碍，掀开新的历史篇章：载人成功登月并安全返航。现代计算机功能强大，但人类却依旧无法自如地用计算机精确捕捉浩渺宇宙中最为精细的部分。除非跳出思维局限，不再桎梏于已知的计算世界，否则打造真正捕捉原子运动并可利用这些行为解决某些最棘手的时代问题几乎是天方夜谭。不过，与登月计划一样，终极目标在于领略全新的世界，传统计算机无法做到：但我们希望打造一台大型量子计算机。未来的量子计算机将弥补传统计算机的缺憾，控制原子运动轨迹，面向各行各业推广运行革命性应用，铸就改变世界的材料或者转变当前的业务模式。

今天，我们公开发布发展蓝图，坚信在它的指引下，必定可以摆脱当前嘈杂的小型设备，顺利步入百万级以上量子比特设备时代。我们的团队正在开发一套更大、更好的可扩展式处理器，目标是在 2023年底推出千级以上量子比特设备 (1,000-plus qubit device) IBM Quantum Condor。为超越 Condor，推出更大位级的设备，我们正在积极开发稀释制冷机 (Dilution refrigerator)，规模远超过目前市售的任何稀释制冷机。根据这一发展蓝图，我们将发挥行业领先的知识、多学科团队和敏捷方法，对这些系统的各个层面实施改进，朝百万级以上量子比特处理器的未来目标持续迈进。一直以来，硬件发展蓝图始终是实现崇高使命的关键：设计一款全堆栈量子计算机，通过云进行部署，使全球每一位用户都能参与编程。

IBM Quantum 团队打造量子处理器 — 即依靠基本粒子的数学运算来扩展计算能力，运行的电路为量子电路，并非数字计算机的逻辑电路。通过人造原子的电子量子态表示数据，称之为超导跨子量子位 (Superconducting Transmon Qubits)，这些量子位通过微波脉冲序列连接和操纵，以便运行量子电路。但是，由于与外界的相互作用，量子位很快就会偏离它们的量子态。团队当前面临的最大挑战在于，如何在错误率较低的前提下，在足够长的时间内控制超大规模的量子位系统，从而保证未来量子应用所需的复杂量子电路能够正常运行。

探索超导量子位，向更大的系统扩展

IBM 自 2005年左右开始探索超导量子位，增加相干时间、减少误差，实现了多量子位设备。而后从量子位到编译器等系统各层次的不断细化和改进，2016年推出首台支持云端的量子计算机。对此，我们深感自豪。如今，我们依托 IBM 云计算运行二十余个稳定系统，供客户和广大公众试用，包括 5 量子比特 IBM Quantum Canary 处理器和 27 量子比特 IBM Quantum Falcon 处理器——而且近期还在其中一个处理器中运行足够长的量子电路，宣布量子体积达到 64。这项伟大的意义不在于增加量子比特；相反，我们对编译器实施多重改进，优化双量子比特门校准，并根据微波脉冲调整对“干扰信息的处理和读出”进行升级。为此，务必以硬件建设为基础，采用独特工艺达到世界领先的设备指标，以便获得可靠的性能。

在努力改进小型设备的同时，IBM 还积极总结过往经验，绘制宏伟蓝图，向更大的系统扩展。事实上，本月 IBM 已面向内部 IBM Q Network 成员发布 65 量子比特 IBM Quantum Hummingbird 处理器。该设备能够 8:1 读出多路复用 (Multiplexing)，这意味着可以将八个量子比特的读出信号合并为一个，减少读出流程所需的布线和组件总量，提高量子计算机的规模扩张能力，并且能够同时保留 Falcon 这一代处理器的所有高性能特性。大幅缩短相关控制系统的信号处理等待时间，为即将出现的反馈和前馈系统能力提升做好准备，届时将可以一面运行量子电路，一面根据经典条件控制量子比特。

明年，我们将推出 127 量子比特 IBM Quantum Eagle 处理器。为突破 100 量子比特里程碑，Eagle 进行了多项升级：最重要的是，通过硅通孔 (TSVs) 和多层布线有效扇出大密度经典控制信号，同时保护分离层中的量子比特以保持高相干时间。与此同时，通过 Falcon 引入的双量子比特门(Two-qubit gates)和六边形量子比特布局(Hexagonal qubit arrangement)的固定频率方法，巧妙平衡连通性与减少串扰误差。这种量子比特布局有利于实现团队去年首次展示的“重六边形”纠错编码( “Heavy-hexagonal” error correcting code) 。随着物理量子比特数量的不断扩展，还能够进一步探索它们如何以纠错逻辑量子比特的形式共同运行 —— 我们设计的每一款处理器均充分考虑容错问题。

在 Eagle 处理器中，我们还将引入并发实时经典计算能力，使其能够执行更广泛的量子电路和代码。

依托成熟的小型处理器设计原则，预计将在 2022年发布 433 量子比特 IBM Quantum Osprey 系统。控制结构和低温基础架构更高效、更密集，避免处理器在扩大规模的过程中牺牲单个量子比特的性能，也不会引入更多的噪声源或占用太大的空间。

探索复杂的潜在量子优势，超越全球最优超级计算机的开发速度

2023年，我们将首次推出 1,121 量子比特 IBM Quantum Condor 处理器。总结前几代处理器的经验教训，继续减少关键双量子比特错误，以便运行更长的量子电路。在我们看来，Condor 既是转折点，又是重大里程碑，标志着 IBM 有能力实现纠错、扩大设备规模，同时还能探索复杂的潜在量子优势 —— 更高效地处理量子计算机面临的问题，超越全球最优超级计算机的开发进度。

打造 Condor 离不开开发活动，解决量子计算机规模扩大过程中面临的一些最紧迫的问题。然而，随着 IBM 的探索超越千级量子比特，当今的商用稀释制冷机将无法再对如此庞大而复杂的设备进行有效冷却和隔离。

因此，我们还推出 10英尺高、6英尺宽的“超级制冷机”，内部代号为“Goldeneye”，规模超过当前市场上的任何一款商用稀释制冷机。团队在设计这款巨型制冷机时已有意开发百万级量子比特系统，而且已启动基本可行性测试。

最后，IBM 设想的未来十分理想：量子与稀释制冷机相互连接，每台稀释制冷机容纳百万量子比特，好比通过内联网连接超级计算机处理器，打造足以改变世界的大规模并行量子计算机。

掌握发展方向并不能消除障碍；科技发展史上最严峻的一些挑战近在眼前。但是，在清晰愿景的指引下，我们有理由相信，十年内将有望打造出容错量子计算机。

Jay Gambetta

IBM 院士，IBM Quantum 副总裁

责任编辑：PSY

原文标题：IBM 量子技术扩展蓝图

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