IBM發(fā)布1121量子比特芯片！

12月5日消息，當地時間周一，IBM公布了全新的量子計算芯片路線圖，其中包括了名為“禿鷹（Condor）”的量子處理器，這是迄今發(fā)布的最大的基于Transmon的量子處理器，擁有1121個超導量子比特。

同時，IBM還推出了基于三個“鷺（Heron）”芯片的組合，每個芯片都有133個量子比特。像Heron和它的繼任者“火烈鳥（Flamingo）”這樣的較小芯片將在IBM的量子路線圖中發(fā)揮關鍵作用 —— 該路線圖也得到了重大更新。

基于這一更新，IBM將在2030年代末實現糾錯量子位的工作，這是通過對Flamingo芯片的幾次迭代中對單個量子位的改進而實現的。雖然，這些系統(tǒng)可能不會將現有的加密方案置于危險之中，但它們應該能夠可靠地執(zhí)行比我們今天所能做的任何事情都復雜得多的量子算法。

IBM 高級副總裁兼 IBM 研究院院長達里奧·吉爾 (Darío Gil) 表示：“我們正在進入一個時代，量子計算機將被用作探索科學新領域的工具。IBM 不斷發(fā)展量子系統(tǒng)如何通過模塊化架構擴展和提供價值。通過這樣做，我們希望進一步提高實用程序的質量-擴展量子技術堆棧，并將其帶到正在突破更復雜問題極限的用戶和合作伙伴手中。”

IBM公司宣布的一切，包括現有的處理器，未來的路線圖，未來幾年機器的用途，以及使這一切成為可能的軟件。但要了解該公司在做什么，我們必須回顧一下整個領域的發(fā)展。

量子位和邏輯量子位

使用量子位的幾乎每個方面都容易出錯。設置其初始狀態(tài)、維護該狀態(tài)、執(zhí)行操作以及讀出狀態(tài)都可能引入錯誤，從而使量子算法無法產生有用的結果。因此，每個生產量子硬件的公司的主要關注點都是限制這些錯誤，并且在這方面取得了很大進展。

有跡象表明，這些進步現在已經讓我們有可能在現有硬件上執(zhí)行一些更簡單的量子算法。這種潛力很可能會擴展到進一步的算法中，這要歸功于我們在未來幾年可能會看到的改進。

然而，從長遠來看，我們不太可能讓量子比特硬件達到錯誤率足夠低的地步，以至于處理器可以成功完成可能需要在數小時計算中進行數十億次運算的復雜算法。為此，人們普遍認為，我們需要糾錯的量子比特。這涉及到將一個量子比特 —— 稱為“邏輯量子比特” —— 持有的量子信息分散到多個硬件量子比特。附加的量子比特被用來監(jiān)視邏輯量子比特的錯誤并允許它們的糾正。

使用邏輯量子位進行計算需要兩個條件。一個是單個硬件量子位的錯誤率必須足夠低，以便在新錯誤發(fā)生之前識別和糾正單個錯誤。（有跡象表明，硬件足夠好，可以以部分效率工作。）你需要的第二件事是大量的硬件量子位，因為每個邏輯量子位需要多個硬件量子位才能工作。一些人估計，我們需要一百萬個硬件量子位來制造一臺能夠承載大量邏輯量子位的機器。

IBM現在表示，預計到本十年結束時，它將擁有有用數量的邏輯量子位，IBM 院士兼IBM Quantum的副總裁杰伊·甘貝塔（Jay Gambetta）解釋了昨天的公告如何符合這一路線圖。

量子位和門

甘貝塔表示，該公司一直在采取雙管齊下的方式來準備硬件。其中一個方面是開發(fā)持續(xù)制造大量高質量量子比特的能力。他說，1000+量子比特的Condor表明，該公司在這方面處于良好狀態(tài)。甘貝塔說：“它的量子位大約小了50%，收益率就在那里 —— 我們的收益率接近100%?！?/p>

IBM一直致力于的第二個方面是限制在單個或對量子比特進行操作時發(fā)生的錯誤。這些操作稱為門，它們本身可能容易出錯。改變量子比特的狀態(tài)會產生微妙的信號，這些信號會滲入鄰近的量子比特，這種現象被稱為串擾。Heron是新處理器中較小的一款，代表了四年來提高柵極性能的努力。甘貝塔說：“這是一個漂亮的設備，它比以前的設備好五倍，誤差要小得多，而且串擾無法真正測量?！?/p>

許多改進都歸結為在量子比特上引入了可調諧耦合器，這是該公司以前使用的固定頻率硬件的一種改變。這加快了所有門的運行速度，有些門的運行速度提高了10倍。你花在量子位上的時間越少，出現錯誤的機會就越少。

該公司于2021年首次推出Eagle芯片，其中許多改進都在該芯片的多次迭代中進行了測試。該公司的新路線圖將看到明年發(fā)布的133量子位Heron的改進版本，將實現5000個門操作。接下來將是明年的156量子位Flamingo處理器的多次迭代，到2028年，該處理器的門運算次數將達到1.5萬次。

這些芯片還將連接在一起，形成更大的處理器，如Crossbill和Kookaburra，這些處理器也出現在IBM的路線圖上（例如，七個火烈鳥可以連接在一起，形成一個與當前禿鷹具有相似量子比特數的處理器）。這里的重點將是測試在芯片內部和芯片之間連接量子位的不同方式。

使用它們

甘貝塔說，穩(wěn)步提高的錯誤率將有助于人們利用現有的量子硬件完成實際工作。他強調了IBM今年早些時候發(fā)表的關于誤差緩解的論文，該論文表明，對計算過程中發(fā)生的錯誤的詳細了解，可以用來從現有硬件中擠出有用的結果。甘貝塔說，自從那篇論文發(fā)表以來，大約有六篇論文在arxiv上使用了類似的方法。但更重要的是，我們將展示（我認為現在的數字大約是13個）我們的用戶、客戶和合作伙伴的演示，他們有自己的使用量子計算機作為工具的演示。

雖然，這種方法在某些問題（包括模擬通用量子系統(tǒng)）上比經典計算的擴展性更好，但它最終會遇到硬件的限制 —— 甘貝塔提出的問題需要大約100個量子位和10000個門。超出這個范圍需要糾錯的邏輯量子位。

但如上所述，這些現在首次出現在路線圖上。他們是循序漸進地這樣做的。邏輯存儲量子比特將在2026年展示，然后在第二年展示量子比特之間的邏輯通信。邏輯門將在2028年與Starling處理器一起出現，IBM預計將在2029年為Starling的迭代提供完整的軟件包。這將使門操作大幅增加，從2028年火烈鳥的15000個門增加到2029年Starling的1億個門。

但Starling可能遠遠達不到制造一個有用處理器所需的數百萬個硬件量子位。甘貝塔表示，該公司將專注于減少托管一個強大的邏輯量子位所需的硬件量子位的數量，他指出，該公司今年早些時候在arXiv上發(fā)布了一份手稿，討論了一種實現糾錯的替代方案。目前最常用的測試方法（稱為“表面代碼”）可能需要多達4000個硬件量子位來承載12個邏輯量子位；手稿中描述的方案僅使用288個硬件量子位就可以做到這一點。

挑戰(zhàn)在于，這種方法需要量子比特之間的連接，這些量子比特可能在一個芯片上相距遙遠，或者可能完全在單獨的芯片上。迄今為止，Transmon芯片與最近鄰居的連接有限，這是表面代碼所需要的全部，盡管甘貝塔說IBM已經證明其封裝技術能夠支持更長的連接。無論如何，未來幾代量子處理器的一個關鍵焦點將是實現這些更遠距離的連接。不同類型的耦合器將在2024年和2025年出現在路線圖上，如果IBM要實現其十年目標，它們的高保真度將是絕對必要的。

考慮到這些特性并不是IBM這次宣布的某個功能的進化，它們可能被列為路線圖上風險最高的項目。

軟件也很重要

甘貝塔說，即使這一切都取得了成功，在這個十年末發(fā)布的硬件對于破解當今加密所需的復雜算法來說仍然太小。所以，糾錯將會迎來這樣一個時期，我們的硬件可以進行計算，這在經典硬件上是不可能的，但不能做我們最終想要用它們做的所有事情。這意味著軟件開發(fā)將是決定我們在未來幾年能實現什么目標的關鍵。

在這方面，IBM幫助開發(fā)了一個名為“Qiskit”的開源量子SDK，它在程序員可能希望看到的結果與直接向控制量子計算機的硬件發(fā)出命令的需要之間建立了一層抽象。這次的公告包括Qiskit發(fā)布了1.0版本，這表明該API已經穩(wěn)定下來，未來的工作將更多地集中在現有技術的基礎上構建有用的庫。

另外，該公司還修改了其生成式人工智能編碼工具，使其能夠生成在Qiskit上運行的代碼。

甘貝塔表示：“生成式人工智能和量子計算都處于拐點，在 WatsonX 上使用可信的底層模型框架簡化了構建量子算法以探索實用規(guī)模的方式。”這是擴大量子計算范圍并使其成為現實的重要一步。作為科學探索工具提供給用戶。”

在接下來的幾年里，開發(fā)和測試軟件將變得越來越重要，因為我們還不完全清楚，在嘈雜的系統(tǒng)上減少錯誤，或者在有限數量的糾錯量子比特上，能做些什么有用的事情。雖然很高興看到IBM在年底前實現了2023年的處理器目標，但更大的新聞可能是它的路線圖。在我們報道這個領域的整個過程中，人們一直在談論開發(fā)糾錯并展示它的小型演示。這是我們第一次看到以有用的形式顯示到達日期。

來源：https://arstechnica.com/science/2023/12/ibm-adds-error-correction-to-updated-quantum-computing-roadmap/

https://newsroom.ibm.com/2023-12-04-IBM-Debuts-Next-Generation-Quantum-Processor-IBM-Quantum-System-Two,-Extends-Roadmap-to-Advance-Era-of-Quantum-Utility