美国量子计算重大突破？IBM 发布量子系统 2 ，人类又迎巨变前夜？

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美国量子计算重大突破？IBM 发布量子系统 2 ，人类又迎巨变前夜？
   
2023-12-05 15:54:17　来源: 徐德文科学频道 日本



美国量子计算机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 ，以及基于 Heron 的 IBM 量子系统 2（IBM Quantum System Two），这是世界上第一台模块化的实用量子计算机。在美国哥伦比亚广播公司的 60 分钟专题节目中，IBM 高级副总裁兼研究总监达里奥·吉尔宣称：此时时刻，我们感觉就像是上世纪四五十年代，先驱者们正在建造第一台电子计算机。主持人斯科特·佩利则称，希望我们今天能解释得更清楚，这样您就不会因可能改变人类文明的突破而措手不及了。

简单来说，在昨天召开的 IBM 量子峰会上，IBM 发布了两款量子芯片、一台量子计算机、一个量子编程软件、自动量子编程的AI模型以及未来 10 年的量子计算机发展路线图，人类文明可能已再次处于大突破的巨变前夜。



● IBM Condor量子芯片（1121 量子比特）

Condor（秃鹰）是一款基于交叉谐振门技术的 1121 量子比特超导量子芯片，这是世界上第一个超过 1000 量子比特的量子处理器。此前 IBM 已发布了 Eagle（鹫，127 量子比特）、Osprey（鱼鹰，433 量子比特）两种量子芯片，Condor 将量子位密度提高了 50%，但性能和之前的 433 量子位 Osprey 相当。这意味着在相同的面积内，可以容纳更多的量子位，对于提高量子计算机的性能和可扩展性具有重要意义。

Conder 单个稀释制冷器内包含了超过一英里的高密度低温柔性 IO 布线，突破了芯片设计的规模和产量极限，是一个里程碑式的创新，解决了规模问题并为未来的硬件设计提供了信息。



● IBM Quantum Heron 量子芯片（133 量子比特）

Heron（鹭）是 IBM 最新的第三代量子芯片，是迄今为止 IBM 性能指标最高的量子芯片，是 IBM 未来量子计算机的基石。有人可能觉得，量子比特数反而减少了，怎么还性能最高，还是基石呢？

Heron 是 IBM 新一代架构的处理器，具有 133 个固定频率量子位和可调谐耦合器，与之前 127 量子比特的 Eagle 相比，性能提高了3-5 倍，错误率减少了 5 倍，几乎完全消除了串扰。串扰是指一个量子位的状态被其他量子位干扰，会对量子计算的准确性产生负面影响。Heron 芯片几乎消除了这种串扰，这意味着它在执行量子计算时，准确性和可靠性更高。

并且通过 Heron ，IBM 还开发了一种新的量子位和量子门技术，所谓量子门技术，就是量子位的操控技术，这是 IBM 未来硬件路线图的基础。



Heron 处理器的架构意味着多个量子芯片可以互相连接起来，构建模块化的量子计算机，也就是说 IBM 可以通过简单地增加芯片数量来扩大量子计算机的规模，这是 Heron 量子处理器最大、最关键的突破。

● IBM Quantum System Two（IBM 量子系统 2 ）

IBM 量子系统 2 配备了 3 个 Heron 量子芯片，位于纽约州约克敦高地的实验室，宽 6.7 米，高 4.6 米，每个六边形的单元重达 9 吨。Heron 芯片和笔记本电脑芯片差不多大，为什么量子计算机的规模和重量却如此之大呢？

这些体积和重量绝大部分是冷却系统带来的，IBM 和谷歌的量子计算机都采用约瑟夫森结作为超导量子比特，需要稀释制冷机提供的超冷超流体来冷却到 15mk 以下，并且完全在真空环境中运行，这样才能保证超导体的量子力学效应。而稀释制冷机需要氦-3 来冷却，氦-3 又是核研究和核计划的副产品，通常被政府严控且非常昂贵。不过我看到 2021 年新华社的报道说，中科院物理所已研制成功无液氦稀释制冷机，可以实现 10mk 以下的极低温。



约瑟夫森结像一个三明治，由两个超导体中间夹一个绝缘层构成，低温下电子通过超导体时，会配对形成库珀对，从而可以量子隧穿通过绝缘层。通过向约瑟夫森结发射微波光子，就能操控它们并保存、更改和读出单个量子比特的信息。制造约瑟夫森结的超导电缆需要专门设计，传热极少，以避免破坏制冷机内量子比特的微妙量子态，维基百科称这种超导电缆只有日本公司 Coax 能制造，非常难以获得。

IBM 这次发布的重头戏就是 IBM 量子系统 2 ，这是一种适用于公用事业规模工作的模块化量子计算架构，可以利用并行性、并发量子、经典计算及动态电路执行，以实现量子为中心的超级计算。IBM 量子系统 2 最大的突破就是它六边形的模块化设计，便于扩展到多个量子处理器的连接，从而形成更大的量子计算机，对于实现大规模量子计算具有重要意义，并且支持未来所有的 IBM 量子芯片。

  


● Qiskit 1.0发布

Qiskit 是世界上使用最广泛的开源量子编程软件，Qiskit 1.0 发布了许多新功能，可以帮助计算科学家轻松、快速地构建和运行量子算法，包括新的量子电路模拟器、新的量子电路编辑器和新的量子电路执行器，有助于推动量子计算的应用和普及。

● 生成式 AI 自动编码

IBM 还展示了一种生成式 AI 模型，可利用 WatsonX 人工智能平台来生成量子代码，可用于自动进行量子代码开发并优化量子电路，有助于提高量子计算的效率和自动化水平。

● IBM 未来十年量子开发路线图

在这次峰会上，IBM 还发布了未来十年的量子开发路线图。未来将优先考虑门操作的改进，以提高质量实现先进的纠错系统，而不是让量子比特数更多。IBM 希望让 Heron 从 2024 年达到 5000 个门操作开始，到 2029 年实现 1 亿个的突破，2033 年突破 10 亿个。



纠错系统是量子计算系统的关键组成部分，这是因为量子比特的量子态极为脆弱，周围环境的任何微小改变，包括系统的晶格振动和背景热核自旋，都可能导致量子态被破坏，这就叫退相干，所以整个系统需要冷却到 20mk 之内。但即使这样，量子态的相干时间也只能维持在纳秒到秒之间，从而导致错误的增加和累积，这就需要进行量子纠错才能进行实用的量子计算。

IBM 正在开发各种软件硬件来实现纠错，Heron 性能的提升，得益于一种叫量子低密度奇偶校验（qLDPC）的新的纠错策略，也就是用多个物理量子比特来代表一个量子信息比特，这个称为逻辑量子位，可以在 400 个左右物理量子比特中容纳一些经过 qLDPC 校正的量子比特，然后把这些芯片连接在一起，从而大幅减少错误率。

所以看看，世界上第一台电子计算机占地 170 平方米，重达 30 吨，IBM 量子系统 2 也是占地数十平方米，重达 9 吨，所以 IBM 说像是回到上世纪四五十年代，正在建造第一台电子计算机还真的很形象。

数十年前，电子计算机彻底改变了人类文明，今天量子计算机也可能再次改变人类文明，再加上人工智能、星舰，所以我们现在可能真的正处于文明巨变的前夜。



只是电子计算机从楼房大小到可以放到桌面上用了几十年，量子计算机可能用不了那么久。在哥伦比亚广播公司的节目中，主持人佩利问谷歌工程副总裁、量子人工智能实验室负责人哈特穆特·内文，人类什么时候能制造一个真正的量子计算机系统，内文说在这个 10 年结束的时候，也就是 2030 年前。IBM 副总裁达里奥·吉尔也称对 5 年内实现这个目标充满信心。

另外，我国的启科量子今年发布了“天算 1 号”模块化离子阱量子计算工程机，玻色量子发布了 100 个链子比特的“天工量子大脑” 光量子计算机，而中科大 10 月发布的 255 个量子比特“九章三号”光量子计算机，已达成了量子计算研究的第一个里程碑：量子霸权。不过这些都和 IBM 、谷歌的超导量子位路线有所不同，中国走超导量子路线的是中科院旗下的本源量子，今年 1 月已交付第一台 24 量子比特超导量子计算机，年底前预计会发布新型号，2025 年达到 1024 量子比特。

究竟哪条路能最终取得成功，还有待时间最后的检验。