（行业突破）IBM Quantum突破100量子位量子计算芯片壁垒

本周，IBM发布了一款名为“鹰”(Eagle)的127量子位量子计算芯片，在打造最强大量子计算机的竞赛中展示了一项新资产。

他们的芯片将与中国科技大学，谷歌以及微软等公司的芯片相匹敌。

IBM将 Eagle 视为计算史上技术革命的一步。 随着量子处理器规模的扩大，每增加一个量子位，空间复杂度（执行算法所需的内存空间量）就会增加一倍，从而使经典计算机能够可靠地模拟量子电路。 我们希望看到量子计算机在各个领域带来现实世界的好处，因为这种空间复杂性的增加使我们进入了一个超越经典计算机能力的领域。 虽然这场革命正在上演，但我们希望继续尽早并经常与社区分享我们最好的量子硬件。 这种方法使 IBM 和我们的用户能够共同努力，了解如何最好地在这些系统上进行探索和开发，以尽快实现量子优势。

构建一个突破百量子比特障碍的处理器不是在一夜之间完成的事情。 几十年来，科学家们认为，基于相同数学和亚原子粒子（量子力学）的计算机在模拟自然方面可以胜过经典计算机。 然而，构建这些任何一个设备都是一项巨大的挑战。 量子位可以退相干——或者忘记它们的量子信息——即使是来自外部世界的最轻微的推动。 在IBM的短时间内生产 Eagle 之所以成为可能，部分归功于 IBM 开拓新科学和投资核心硬件技术的传统，包括可靠的半导体制造和封装流程以及将新生产品推向市场。

Eagle的量子位计算成就是IBM量子路线图上的一个重要里程碑。Eagle展示了IBM团队如何解决硬件和软件方面的挑战，最终实现量子计算机能够解决从可再生能源到金融等领域的实际问题。

Eagle是一种大约四分之一硬币大小的量子处理器。与将信息编码为0或1位的普通计算机芯片不同，量子计算机可以用一种叫做量子位的东西来表示信息，量子位的值可以是0或1，或者由于一种叫做叠加的独特性质，量子位可以同时有0或1两个值。IBM表示，通过在一块芯片中保存超过100个量子位元，Eagle可以增加“执行算法所需的内存空间”，这在理论上有助于量子计算机处理更复杂的问题。

“几十年来，人们一直对量子计算机的前景感到兴奋，因为我们知道，有一些算法或程序，你可以在这些机器上运行，而在传统或经典计算机上无法运行，”滑铁卢大学(University of Waterloo)量子计算研究所(Institute for Quantum Computing)的副教授戴维·戈塞特(David Gosset)表示，“这可以加速某些特定问题的解决。”戈塞特与IBM进行了合作研究。

量子芯片和量子技术

量子芯片到底有什么好处?

科学家们认为，量子计算机在三大类任务上可以比传统机器做得更好。20世纪80年代，当物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)和大卫·多伊奇(David Deutsch)首次提出量子计算机时，他们的想法是用它们来模拟无法通过经典算法和传统计算机精确描绘的分子等量子系统。

量子计算机还擅长某些数学功能，比如因数分解，这是数学家彼得·肖尔(Peter Shor)在20世纪90年代首次提出的一个用例。某些在互联网上加密数据的加密系统依赖于这个问题的难度。戈塞特说:“的确，量子计算机可以用来破解目前在经典计算机上使用的一些加密。”“然而，有一个被称为后量子密码学的整个领域，该领域的目标是开发新的经典加密系统，可以抵抗被破坏。”

最后，与传统计算机相比，量子计算机可以在未排序的数据库中进行更快的搜索，这要归功于计算机科学家洛夫·格罗弗(Lov Grover)首次引入的算法。

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，而其他人则试图将它们应用于机器学习和优化任务。

Eagle芯片的研发始于2016年，当时IBM发布了一款名为“量子体验”(quantum Experience)的5量子位云量子计算机。从那时起，该公司发布了一系列带有越来越多量子位元的芯片——全都以鸟类命名，而且每一种芯片都有自己的一套技术挑战。

IBM的量子计算硬件是由超导电路组成的。量子比特本身是由一种叫做铌的超导材料构成的。系统的布局看起来像一个电感和一个电容并联。这两个元件控制电路中的电流流动，电感是一种叫做约瑟夫森结的非线性元件，它是一种氧化铝纳米级结。这种超导量子位是在耶鲁大学率先发明的，在实践中，它看起来像一个人造原子，可以由一系列微波脉冲控制。

量子芯片的一般工作原理

基本上，所有的量子芯片都连接到一个控制系统上，该控制系统拥有用于操作量子处理器的电子设备。它们可以通过导线将脉冲传输到量子位元。“你通过发射微波或发送特定频率的信号与它们交谈。每个量子位元都有自己的频率，就像光的颜色一样。滑铁卢大学量子计算研究所教授克里斯托弗·威尔逊解释道。

使用27量子位的Falcon芯片，IBM的工程师们必须研究出如何精确地调整他们制造的约瑟夫森结。IBM quantum公司的量子硬件系统开发主管Jerry Chow说:“当你制造它们时，你的制造过程将导致这些量子位元最终的总能量有所分散。”为了制造大量的量子位元，每个量子位元都有合适的能量，他们提出了一种激光退火技术，使他们可以在芯片制造后将量子位元的频率调整到合适的位置。

鹰牌之前的芯片是蜂鸟牌65量子位。这里的障碍在于单个量子位元是如何读取的。

“对于所有这些量子位元，你需要带进电线来控制它们，带出电线来读取它们，你的整个系统被放入一个低温恒温器来冷却它，冷藏它，”Chow说。“我们以这样一种方式设计芯片，使我们能够每8个量子位使用一个读出链。这会影响我们保存在制冷系统内的部件的总体积。”

他们目前的芯片Eagle需要一个有效的布线方案。“当你达到100[量子位]水平时，就很难引入导线来实际处理每一个量子位。在过去的版本中，这些芯片是“碰撞连接”的，这意味着一个芯片带有量子位元，另一个芯片带有一些线路。“即使在这种情况下，当你扩大规模时，也很难把所有的线路都带到正确的地方。”

但Eagle芯片内部包含一组层，允许多层布线。“我们能够嵌入更多的控制电路，使我们能够扇形输入和扇形输出信号，以解决我们在Eagle中拥有的量子位的数量，”Chow说。在他们博客上的一个互动动画中，IBM将这些层从上到下分解为量子位面、谐振面(用于量子位读出)、布线面(将信号路由到量子位面)和插入面(传递信号)。这个设计的灵感来自于半导体技术中常见的微处理器

Eagle芯片的另一个特点是容纳量子位元的六边形晶格结构。“我们的想法是，你有这些电路元件，它们是量子位，我们需要做的是把量子位连接在一起，”Chow解释说。量子位元被放置在蜂窝状的排列中——在每个顶点和边上画一个量子位元。一种称为量子总线的电路元件用来连接相邻的量子位元。点阵设计可以追溯到猎鹰芯片。这使得他们可以在一张图上有一个高密度的量子位元阵列，因为它减少了量子位元之间的能量碰撞，

相干时间是指量子位元停留在波状量子叠加态的时间。但当量子位元相互交流，并与周围环境中的导线交流时，量子信息就会泄露出来，导致退相干。相干时间和做量子门所需的时间“为你能做多大的计算设定了时间限制，”威尔逊说。

Eagle处理器的一致性时间在70到110微秒之间，“与我们早期的猎鹰处理器的中值相当，”Chow说。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的量子位，检查了所有的门都在工作。我们仍在继续微调所有这些门使它们更逼真，更低错误。我们进行了简单的缠结演示，”Chow说。“随着我们继续全面描述它，我们将做一些测试，比如测量质量的量子体积，测量速度的CLOPS(电路层每秒运算)。”

量子芯片运行在什么环境中

IBM还盯上了更大的芯片:一款名为“鱼鹰”(Osprey)的芯片能容纳400个量子位，另一款名为“秃鹰”(Condor)的芯片能容纳1000个量子位。但对于这种高密度连接，Chow的团队认为，目前的冷却系统可能不足以保持整个系统的凉爽。

“系统一号”容器，包括目前的吊灯低温恒温器，以及围绕量子计算机的布线和控制电子设备，都将进行升级。“一个重要的问题是，我们需要更大的空间来容纳低温环境，所以它是一个更大的冰箱，”Chow说。“我们一直在与Bluefors合作，想象那种更大、更实用的冰箱空间将会是什么样子。”

IBM量子芯片冷却系统

许多专家一致认为，突破100量子位的障碍是值得注意的，因为在过去几年里，大多数量子计算机都徘徊在50到70个量子位的范围内(谷歌的计算机在2019年实现了“量子霸权”，有53个量子位)。

举例来说，每增加一个量子位，在经典计算机内存中表示一个量子态的成本就会呈指数级增长。

戈塞特说:“当你谈到40或50量子位元时，世界上有足够的计算机内存，也许它们就是这些巨大的超级计算机。”“这就是你可以用大量磁盘空间在内存中存储量子态的边界。但如果有100个量子位，你真的无法在计算机内存中存储完整的量子态。”

然而，专家表示，决定量子计算机是否真的有用并不仅仅取决于量子位元的数量。戈塞特补充说:“这是关于设备的连通性，所以你可以在不同量子位元之间应用门。”“它还与量子位元的保真度有关，换句话说，也与设备中发生的误差率有关。”

尽管超导量子位元是建造量子计算机最常用的材料，但它肯定不是唯一的方法。“IBM和谷歌在研究超导量子位，而微软则在研究一种叫做拓扑量子位的新方法，”哥伦比亚大学物理学助理教授Sebastian Will说。“这两种技术都在一定程度上依赖于制造技术和方法，它们在某种程度上类似于我们从传统计算机中了解的硅芯片。”

但威尔指出，其他有前途的量子计算平台，如基于捕获离子和中性原子的系统，也存在。“在很多方面，基于离子或中性原子的量子计算系统比超导量子位元要简单，因为量子位元不需要制造，”他说。“大自然只是以离子和原子的形式提供了能量。”

例如，霍尼韦尔公司正在开发捕获离子量子计算机，利用电磁场来保存离子，利用微波信号和激光对它们进行编码。但总的来说，它们更常出现在大学实验室和小型初创企业中。

由于量子计算机的硬件工程比传统计算机要复杂得多，“目前还不清楚什么是最有前途的有用的量子计算机硬件平台，”will说。“最有说服力的是一个演示，量子计算机能比经典计算机更好地解决一个相关的现实世界问题。”

参考文章：

1. IBM official post
2. popsci post