IBM 最新量子芯片突破 100 量子比特障碍

IBM 本周推出了一款名为 Eagle 的 127 量子比特量子计算芯片，展示了其在打造最强大量子计算机的竞赛中的新资产。

他们的芯片将与中国科学技术大学合肥物质科学国家实验室、谷歌和微软等公司的芯片展开竞争。

Eagle 是一款量子处理器，大小约为 25 美分硬币。与将信息编码为 0 或 1 位的普通计算机芯片不同，量子计算机可以用量子比特来表示信息，由于一种称为叠加的独特属性，量子比特的值可以同时为 0、1 或 0 和 1。IBM 表示，通过在单个芯片中容纳 100 多个量子比特，Eagle 可以增加“执行算法所需的内存空间”，这在理论上将有助于量子计算机解决更复杂的问题。

“几十年来，人们一直对量子计算机的前景感到兴奋，因为我们已经了解到，这些机器可以运行一些在传统或经典计算机上无法运行的算法或程序，”滑铁卢大学量子计算研究所副教授、与 IBM 合作进行研究的戴维·戈塞特 (David Gosset) 说，“这可以加速解决某些特定问题。”

以下是有关这些新芯片以及量子计算的一般知识。

量子计算机可以发挥作用

所有这些奇特的技术都引出了一个问题：量子芯片到底有什么用？

科学家认为，量子计算机可以比传统机器更好地完成三大类任务。当物理学家理查德·费曼和大卫·多伊奇在 20 世纪 80 年代首次提出量子计算机时，他们的想法是利用它们来模拟分子等无法通过经典算法和传统计算机准确描述的量子系统。

量子计算机还擅长某些数学函数，例如整数因式​​分解，这是数学家 Peter Shor 在 20 世纪 90 年代首次提出的用例。某些通过互联网加密数据的加密系统依赖于这个问题的难度。“量子计算机确实可以用来破解我们目前在传统机器上使用的一些加密，”Gosset 说。“然而，有一整个领域被称为后量子密码学，该领域旨在开发新的、不易破解的传统加密系统。”

最后，得益于计算机科学家 Lov Grover 首次提出的一种算法，量子计算机可以比传统计算机更快地通过无序数据库进行搜索。

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在更现代的时代，IBM 的一些客户使用量子计算机来模拟分子或化学问题中的动力学，而其他客户则尝试将它们应用于机器学习和优化任务。

Eagle 芯片的诞生始于 2016 年，当时 IBM 在云端发布了一款 5 量子比特量子计算机，名为 Quantum Experience。此后，该公司陆续发布了一系列量子比特数不断增加的芯片，这些芯片均以鸟类命名，每款芯片都面临着各自的技术挑战。

IBM 的量子计算硬件由超导电路组成。量子比特本身由一种名为铌的超导材料制成。该系统的布局看起来像一个电感器与一个电容器并联。这两个元件控制电路中的电流流动，电感器是一种称为约瑟夫森结的非线性元件，它是一种氧化铝纳米级结。这种类型的超导量子比特是耶鲁大学在 20 世纪初率先发明的，在实践中，它看起来像一个可以通过一系列微波脉冲控制的人造原子。

猎鹰和蜂鸟的飞行

量子芯片的工作原理一般如下。

基本上，所有量子芯片都与一个控制系统相连，控制系统中装有用于操作量子处理器的电子设备。它们可以通过电线向量子比特发送脉冲。“你可以通过发射微波或发出特定频率的信号来与它们对话。每个量子比特都有自己的频率标记，就像光的颜色一样。就像每个量子比特都有自己的序列号一样，”滑铁卢大学量子计算研究所的教授克里斯托弗·威尔逊 (Christopher Wilson) 解释道。

对于 27 量子比特的 Falcon 芯片，IBM 工程师必须想出如何精确调整他们制作的约瑟夫森结。IBM Quantum 量子硬件系统开发总监 Jerry Chow 表示：“当你制作它们时，它们的制造将导致这些量子比特最终的总能量有所分散。”为了制造大量具有正确能量的量子比特，他们想出了一种激光退火技术，使他们能够在制造芯片后将量子比特频率调整到正确的位置。

Eagle 之前的芯片是 Hummingbird，有 65 个量子比特。它的障碍是如何读取单个量子比特。

“有了这么多量子比特，你需要引入电线来控制它们，引出电线来读取它们，并将整个系统放入 [低温恒温器] 中冷却、冷藏，”周说。“我们设计芯片的方式允许每 8 个量子比特使用一个读出链。这会影响我们在制冷系统内保存的组件总量。”

他们目前的芯片 Eagle 需要一种高效的布线方案。“当达到 100 [量子比特] 级别时，很难将布线引入以实际解决每个问题。这只是一个房地产问题，”Chow 说。在过去的版本中，芯片是“凸块接合”的，这意味着一个芯片带有量子比特，另一个芯片带有部分布线。“即使在这种情况下，随着规模扩大，也很难将所有布线带到正确的位置。”

但 Eagle 芯片中包含一组允许多层布线的层。“我们能够嵌入更多控制电路，使我们能够扇入和扇出信号，以解决 Eagle 中的量子比特数量问题，”Chow 说。在其博客文章的交互式动画中，IBM 将这些层从上到下分解为量子比特平面、谐振器平面（用于量子比特读出）、布线平面（将信号路由到量子比特平面）和插入器（传送信号）。这种设计的灵感来自半导体技术中常见的微处理器（想想经典的计算机芯片）。

Eagle 芯片的另一个特点是容纳量子位的六边形晶格结构。“这个想法是，你拥有这些电路元件，也就是量子位，我们需要做的是将量子位连接在一起，”Chow 解释道。量子位以蜂窝状排列 - 在每个顶点和边上画一个量子位。一种称为量子总线的电路元件用于连接相邻的量子位。晶格设计可以追溯到 Falcon 芯片。它允许他们在一张图上拥有高密度量子位阵列，因为它减少了量子位之间的能量碰撞量，从而可以降低错误率并保持量子位的相干时间。

相干时间是指量子比特在波状量子叠加态中停留的时间。但当量子比特相互通信并与环境中的电线通信时，量子信息会泄露，从而导致退相干。相干时间和执行量子门所需的时间“限制了你可以进行多大规模计算的时间”，威尔逊说。

Eagle 的相干时间在 70 到 110 微秒之间，这“与我们上一代 Falcon 处理器的中值相当”，Chow 说道。然而，在与 Eagle 并行开发的新一代 Falcon 中，Chow 声称他们已经能够将中值相干时间提高到 300 微秒。

“我们已经测试了所有量子比特，检查了所有门是否正常工作。我们仍在继续微调所有这些门，使它们具有更高的保真度和更低的错误率。我们已经对纠缠进行了简单的演示，”周说。“随着我们继续对其进行全面表征，我们将进行量子体积等测试以测量质量，CLOPS [每秒电路层操作数] 以测量速度。”

即将推出的 Osprey 的升级冷却系统

IBM 正在考虑未来推出更大的芯片：一款名为 Osprey 的芯片将以 400 个量子比特的速度飞行，另一款名为 Condor 的芯片将以 1,000 个量子比特的速度飞行。但对于如此高密度的连接，Chow 的团队认为，当前的单吊灯系统可能不足以保持整个系统的冷却。

System One 容器中装有他们目前的吊灯式低温恒温器以及量子计算机周围的线路和控制电子设备，现在需要升级。“其中一件大事是我们需要更多的空间来容纳低温环境，所以需要更大的冰箱，”Chow 说。“我们一直在与 Bluefors 合作，设想这种更大、更实用的冰箱空间会是什么样子。”

数字很​​重要，但不是一切

许多专家都认为突破 100 量子比特的障碍是值得注意的，因为过去几年大多数量子计算机都徘徊在 50 到 70 量子比特的范围内（谷歌在 2019 年实现“量子霸权”的计算机有 53 个量子比特）。

就上下文而言，在经典计算机内存中表示量子态的成本随着每个量子位的增加而呈指数增长。

“当你谈论 40 或 50 个量子比特时，世界上有一些机器拥有足够的计算机内存，也许它们是这些巨大的超级计算机，”戈塞特说。“这是你可以使用大量磁盘空间将量子态存储在内存中的界限。但是对于 100 个量子比特，你真的无法将完整的量子态存储在计算机内存中。”

然而，专家表示，决定量子计算机是否真的有用不仅仅取决于量子比特的数量。“这还取决于设备的连通性，也就是在不同量子比特之间应用门的能力，”戈塞特补充道。“这还与量子比特的保真度有关，换句话说，就是设备中发生的错误率。”

制造量子计算机的方法不止一种

虽然超导量子比特是用于构建量子计算机的最流行的材料，但它肯定不是唯一的方法。哥伦比亚大学物理学助理教授塞巴斯蒂安·威尔 (S​​ebastian Will) 表示：“IBM 和谷歌致力于超导量子比特，微软则致力于一种更新兴的方法，即拓扑量子比特。”“这两种技术都部分依赖于制造技术和方法，这些技术和方法与我们从传统计算机中了解到的硅片有些相似。”

但威尔指出，其他有前景的量子计算平台也存在，例如基于捕获离子和中性原子的系统。“从很多方面来看，基于离子或中性原子的量子计算系统比超导量子比特更简单，因为量子比特不需要制造，”他说。“大自然只是以离子和原子的形式提供它。”

例如，霍尼韦尔正在开发离子阱量子计算机，利用电磁场来捕获离子，并利用微波信号和激光来编码离子。但总体而言，这类计算机更常见于大学实验室和小型初创公司。

由于量子计算机的硬件工程比传统计算机的硬件工程更复杂，因此“目前尚不清楚最有前途的量子计算机硬件平台是什么，”威尔说。“最令人信服的是一个演示，量子计算机比传统计算机更好地解决了相关的现实问题。”