IBM量子处理器，将突破1000位

IBM 的 CONDOR 是世界上第一台拥有超过 1,000 个量子比特的通用量子计算机，它将于 2023 年首次亮相。预计这一年 IBM 还将推出 Heron，这是该公司表示可能对其有所帮助的新型模块化量子处理器群中的第一个到 2025 年生产出超过 4,000 个量子比特的量子计算机。

虽然从理论上讲，量子计算机可以快速找到经典计算机需要花费亿万年才能解决的问题的答案，但今天的量子硬件仍然缺乏量子比特，限制了它的实用性。量子计算所需的纠缠和其他量子态非常脆弱，容易受到热和其他干扰的影响，这使得扩大量子比特的数量成为一项巨大的技术挑战。

尽管如此，IBM 仍在稳步增加其量子比特数。2016 年，它把第一台量子计算机放在云端，任何人都可以进行实验——一台有 5 个量子比特的设备，每个量子比特都是冷却到接近绝对零的超导电路。2019年，公司打造了27量子比特的Falcon；2020 年，65 量子位蜂鸟；2021 年，127 量子位的Eagle，第一个超过 100 量子位的量子处理器；以及 2022 年的 433 量子位Osprey。

图注：IBM 预计在未来几年内构建越来越复杂的量子计算机，首先是那些使用 Condor 处理器或并行使用多个 Heron 处理器的计算机。

其他量子计算机的量子位比 IBM 的 1,121 量子位 Condor 处理器多——例如，D-Wave Systems 在 2020 年推出了一个5,000 量子位的系统。但 D-Wave 的计算机是解决优化问题的专用机器，而 Condor 将是世界上最大的通用量子处理器。

“就我们真正可以集成的内容而言，一千个量子比特确实突破了极限，” IBM 量子基础设施总监Jerry Chow说。研究人员表示，通过将读出和控制所需的电线和其他组件分离到它们自己的层上（一种从 Eagle 开始的策略），他们可以更好地保护量子比特免受干扰并整合更多数量的量子比特。“当我们向上扩展时，我们正在学习设计规则，比如‘这可以超越这个；这不能解决这个问题；这个空间可以用于这个任务，'”Chow 说。

IBM 计划在 2023 年推出的另一款量子处理器 Heron 只有 133 个量子位，与 Condor 相比可能显得微不足道。但 IBM 表示，其升级的架构和模块化设计预示着开发强大的量子计算机的新战略。Condor 使用固定耦合架构来连接其量子位，而 Heron 将使用可调耦合架构，在承载量子位的超导环路之间添加约瑟夫森结。这种策略减少了量子位之间的串扰，提高了处理速度并减少了错误。（谷歌已经在其 53 量子位Sycamore处理器中使用了这样的架构。）

此外，Heron 处理器专为彼此之间的实时经典通信而设计。这些链接的经典性质意味着它们的量子位不能纠缠在 Heron 芯片上，以实现量子处理器众所周知的计算能力提升。尽管如此，这些经典链接仍使“电路编织”技术成为可能，在这种技术中，量子计算机可以从经典计算机获得帮助。

例如，使用一种称为“纠缠锻造”的技术，IBM 研究人员发现他们可以模拟量子系统，例如使用通常需要的一半量子位的分子。这种方法将量子系统分成两半，在量子计算机上分别对每一半建模，然后使用经典计算计算两半之间的纠缠并将模型编织在一起。

虽然处理器之间的这些经典链接很有用，但 IBM 最终打算取代它们。该公司的目标是在 2024 年推出 Crossbill，一种由三个微芯片通过短程量子通信链路耦合在一起制成的 408 量子位处理器，以及 Flamingo，它计划通过大约 1 米长的量子通信连接在一起的 462 量子位模块链接到一个 1,386 量子比特的系统中。如果这些连接性实验取得成功，IBM 的目标是在 2025 年推出其 1,386 量子位的 Kookaburra 模块，短程和远程量子通信链路将三个此类模块组合成一个 4,158 量子位的系统。

日本理研研究所 理论量子物理实验室的 首席科学家 Franco Nori 说，IBM 的有条不紊的战略“旨在逐步改进是非常合理的，从长远来看它可能会取得成功” 。

2023 年，IBM 还计划改进其核心软件，以帮助开发人员在云端统一使用量子计算和经典计算。“我们正在为以量子为中心的超级计算机的外观奠定基础，”Chow 说。“我们不认为量子处理器是完全集成的，而是松散聚合的。” 他解释说，这种框架将提供适应量子硬件和软件可能经历的不断升级所需的灵活性。

2023 年，IBM 计划开始对量子软件应用程序进行原型设计。到 2025 年，该公司希望在机器学习、优化问题、自然科学等领域引入此类应用。

研究人员希望最终使用量子纠错来弥补量子处理器容易犯的错误。这些方案将量子数据分布在冗余量子位上，每个有用的逻辑量子位需要多个物理量子位。相反，IBM 计划从 2024 年开始将错误缓解方案纳入其平台，以从源头上防止这些错误。但即使争论错误最终需要更多的量子比特，IBM 也应该在其 1,121 量子比特的 Condor 等产品中处于有利地位。

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