图片集：走进量子计算机的中心

IBM 量子计算机的心脏是一个不超过 25 美分硬币大小的芯片。这些豪华机器有望解决当今最好的传统计算机无法解决的难题。芯片本身只是更大难题的一部分。与人们日常生活中使用的便携式笔记本电脑不同，支持量子芯片工作的计算基础设施就像俄罗斯套娃一样分层，在鲁布·戈德堡式的装置内有错综复杂的互连。

然而，尽管量子计算机结构复杂、设计令人难以置信，但它仍然是一台使用硬件和软件执行操作的机器。其中一些操作与传统计算机执行的操作类似。想知道它们是如何运作的吗？ 《大众科学》带我们参观了位于纽约约克敦高地 IBM 园区的量子中心。仔细看看里面发生了什么——从一种叫做量子比特的东西开始（稍后会详细介绍它是什么），然后一点一点地缩小范围。

太冷了

要表现出量子特性，物体要么非常小，要么非常冷。对于 IBM 来说，这种分层的吊灯状结构，看起来像一个倒置的金色蒸汽朋克婚礼蛋糕，被称为稀释制冷机。它使量子比特保持凉爽和稳定，是该公司为这款 50 量子比特芯片创建的基础设施。它包含多个板块，越靠近地面，温度就会逐渐降低。每个板块的温度都不同，最顶层的温度为室温。

量子处理器安装在稀释制冷机最低、最冷的板上，温度约为 10 至 15 毫开尔文，约为 -460 华氏度。第一阶段的冷却涉及大铜片，这些铜片垂落在顶层，与冷头相连，是闭式循环氦制冷机的一部分。更多管道通入较低层，引入另一个闭式低温材料循环，由氦同位素混合物组成。

外壳结构的后面是吊灯的隐藏支持基础设施。这包括支持低温基础设施的气体处理系统，以及泵和温度监测器。然后是定制的经典控制电子设备。当用户通过 IBM 的量子云服务运行程序时，他们实际上是在协调一组门及其电路。这些门和电路会变成微波脉冲，经过适当的排序、对齐和分配到系统中以控制量子位。读出脉冲会检索量子位的状态，然后将其转换回二进制值并返回给用户。

量子比特和“人造原子”

传统计算机使用二进制的 1 或 0 位来表示信息。在量子计算机中，信息通过量子位来表示，量子位可以是 0 和 1 的组合。这种现象称为叠加。“在现实世界中，叠加无处不在。例如，音乐就是频率的叠加，”IBM Quantum 理论、算法和应用技术负责人 Zaira Nazario 说道。由于它是一种波形，因此其振幅为 0 和 1。这意味着它具有相位，并且像所有波一样，它们可以相互干扰。

超导量子比特位于芯片上，并被封装成类似印刷电路板的东西。用于输入和输出信号的电线和同轴电缆从电路板上伸出。在较新的高量子比特芯片型号中，IBM 一直致力于更紧凑的解决方案，包括布线和集成组件，以提高空间利用率。杂乱程度越少，组件就越容易冷却。目前，将量子计算机完全冷却到所需温度大约需要 48 小时。

为了使量子计算机正常运行，每个板都必须进行热屏蔽和隔离，以防止黑体辐射影响它。工程师将整个设备真空密封，以隔绝不需要的光子以及其他电磁辐射和磁场。

量子比特由 4 至 7 千兆赫的微波信号控制。传统电子设备会产生微波脉冲，这些脉冲沿着电缆传输，将输入信号传送到芯片，并将输出信号传回。当信号沿着吊灯传输时，它会经过滤波器、衰减器和放大器等组件。

IBM 的主要工作是研究超导量子比特。它们是放在晶圆上的小块金属，晶圆用于制造芯片。金属由铌、铝和钽等超导材料制成。约瑟夫森结是在两种超导材料之间分层放置一层非常薄的绝缘体而形成的，它提供了将超导电路转变为量子比特所需的基本非线性元件。

IBM 量子基础设施总监 Jerry Chow 表示：“我们正在构建振荡器的量子示例。”振荡器将来自电源（在本例中为微波光子）的直流电转换为交流电或波。

周说，与典型的谐振子不同，非线性振荡器的能级间距不均等。“有了这种能级间距，你就可以分离出最低的两个能级，作为量子零点和量子一点。”

想想氢原子。从物理学的角度来看，它有一组能级。适当波长的光照射到这个原子上可以将其提升到不同的状态。当微波照射到量子比特上时，它也会做类似的事情。“你实际上有了这个人造原子，”周解释说。“我们有一个能量量子，我们通过在特定脉冲下放置适量的微波光子一段时间来移动它，以激发或去激发这个非线性微波振荡器中的能量量子。”

在传统计算机中，存在开启状态（一）和关闭状态（零）。对于量子计算机，关闭状态是人造原子的基态。添加特定能量的微波光子脉冲将激发它，将其提升到一。如果量子比特再次受到该脉冲的打击，它将被带回基态。假设需要 5 千兆赫兹 20 纳秒才能将量子比特完全提升到激发态——如果你将能量减半或将时间减半，你实际上会驱动叠加态，Chow 说。这意味着如果你用谐振器测量量子比特的状态，你有 50% 的机会它处于零，有 50% 的机会它处于一。

用户可以尝试不同量子比特之间的电路元件、脉冲频率、持续时间和能量，以将它们耦合、交换或执行条件操作，例如构建纠缠态和组合单量子比特操作以在整个设备上执行通用计算。当波相交时，它可以放大或解构信息。

量子比特有什么用处？

过去几年，量子计算机的实际用途不断演变。IBM Quantum 战略与应用研究总监 Katie Pizzolato 表示：“如果我看看人们在 2016、2017、2018 年期间对该系统做了什么，他们正在使用量子来研究量子……凝聚态物理、粒子物理等等。”“其中的关键部分是利用经典资源并使其具备量子意识。我们必须让各自领域的专家了解在哪里应用量子，但不要成为量子专家。”

IBM 对其机器面临的量子问题的兴趣可以分为三个方面：化学和材料、机器学习和优化（从一组可能的选项中找出问题的最佳解决方案）。关键不是在问题的每个部分都使用量子计算机，而是在最难的部分使用量子计算机。

IBM 团队一直在不断寻找现实世界中的问题，这些问题由于其结构或涉及的数学而难以用传统计算机解决。有很多有趣的地方可以寻找它们。

传统计算机使用二进制逻辑和加法器等电路元件来解决基本数学问题。然而，量子计算机在线性代数方面非常出色——矩阵相乘和在空间中表示向量。这是由于其设计中的独特功能。这使它们能够相对轻松地执行因式分解等功能——对于传统计算机来说，这是一个极其困难的问题，因为变量和参数的数量以及它们之间的相互作用呈指数级增长。“因式分解问题中的结构允许你利用纠缠，以及你通过这些设备获得的所有东西。这就是它与众不同的原因，”Pizzolato 说。

对于化学和材料问题，量子比特能够更好地模拟键和连接电子等特性。

“我们正在思考，哪些东西可以映射到无法通过传统方式模拟的量子电路中，然后如何处理它们，”Pizzolato 说。“很多算法讨论都是关于如何利用该设备的基本机制。如何映射到更高维空间，以及如何使用这些矩阵的协调和乘法来得出你想要的答案。”

请记住，量子比特的值可以是零、一或两者的组合。由于量子比特是波形，工程师可以旋转零或一以使其具有负振幅。量子比特还可以纠缠——这是一种独特的量子力学性质，没有经典的类似物。纠缠的量子比特不仅可以在零和一本身中包含信息，还可以在它们之间的相互作用中包含信息。此外，量子电路中的门可以旋转量子比特以改变其相位，振荡器可以使这些量子比特纠缠。

“量子算法的艺术在于如何操纵所有这些纠缠态，然后以一种方式进行干涉，使不正确的振幅抵消，正确的振幅出现，然后你就能得到答案，”纳扎里奥说。“与只允许在零和一之间翻转的算法相比，由于所有这些纠缠态和这种干涉，量子算法中有更多的操作空间。”

Qiskit 是 IBM 的量子计算机开源开发工具包，包含各种类型的量子算法和程序的不同详细程度的信息。

真实示例

仍然觉得很难想象量子比特在做什么？让我们来看看 IBM 合作伙伴如何使用量子计算机的一些例子。例如，生物制药公司安进 (Amgen) 正在寻求使用量子计算机和机器学习来根据健康记录和其他因素预测最适合药物试验的患者。

波音公司正在应用量子计算来分析飞机的腐蚀系数。飞机机翼需要一定密度的材料。工程师用不同层的各种材料来制造机翼，但需要帮助弄清楚如何排列这些层，以使机翼更坚固、更便宜、更轻。这归结为一个组合优化问题。

高盛一直在将其用于期权定价。“这些操作非常复杂，计算成本非常高。而且分布也很复杂，”纳扎里奥说。它与计算这些期权变化的导数有关（线性代数运算），这将告诉他们风险。

最后，在自然科学领域，研究小组一直对使用量子计算机研究光合作用很感兴趣。

并行构建

尽管 IBM 一直在稳步增加其量子计算机的处理器尺寸，并建立由来自行业、国家政府中心和学术机构的合作伙伴组成的社区，但该公司仍在寻找在硬件和软件方面向前发展的最佳方法。

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该公司此前曾表示，它将在 2025 年之前推出一台具有量子优势的机器（它能够比传统计算机更可靠、更准确地解决问题）。这意味着除了开发新组件之外，它还需要解决一些问题领域，并使已经运行良好的系统更加高效。

“这是软件关注的重点。我们已经认识到很多工具，错误缓解工具、智能编排、电路编织的理念，我们如何分解问题以扩展我们在量子计算机上可以做的事情，这些对于我们推动技术发展正在变得更加重要，”Pizzolato 说。