IBM豪賭以量子為中心的超級計算機

2025-01-18 | 來源: 商業新知 | 轉到微信 | 有0人參與評論 | 字體: 放大縮小 | 收藏 | 打印

雖然這可能聽起來並不特別，但卻是實現量子優勢的必要一步。近年來，量子界終於走到了這個門檻。2023年，我們成功展示了量子處理單元的量子實用性，這讓我們相信，我們的量子硬件已經足夠先進，可以集成到以量子為中心的超級計算機中了。這一裡程碑的實現是包括硬件和算法改進在內的多項進步共同作用的結果。

自2019年以來，我們一直在結合半導體制造方面的技術進步，致力於將3D集成技術引入我們的芯片。我們也因此得以從位於量子比特平面下方的控制芯片訪問量子比特，從而減少了芯片上的布線，這些布線是潛在的噪聲源。此外，我們還引入了讀數復用技術，從而能夠通過一根線訪問多個量子比特的信息，大大減少了需要放置在稀釋制冷機中的硬件數量。

2023年，我們使用了名為“可調耦合器”的組件，對硬件實施了一種新方法來執行量子門，即改變量子比特值的程序步驟。以前，我們是通過制造響應不同頻率的量子比特來防止串擾的，這樣可使它們不對其他量子比特的微波脈沖做出反應。但這導致了量子比特之間進行必要通信非常困難，也降低了處理器的速度。有了可調耦合器，我們不再需要針對特定頻率制造量子比特。相反，我們引入了一種“開關”，利用磁場來決定兩個量子比特之間是否應該通信。結果就是，我們幾乎消除了量子比特之間的串擾錯誤，從而得以更快、更可靠地運行量子門。

隨著硬件的改進，我們還證實可以使用錯誤緩解算法處理一些噪聲。錯誤緩解可以通過多種方式完成。在我們的案例中，我們會運行量子程序，分析系統中的噪聲對程序輸出的影響，然後建立一個噪聲模型。接下來，可以使用經典計算和我們的噪聲模型來還原無噪聲結果。因此，我們的量子計算機的硬件和軟件環境包括能夠執行錯誤緩解、抑制，以及未來進行糾錯的經典計算。

除了不斷完善硬件之外，我們還與加州大學伯克利分校合作，在2023年證明，我們的127量子比特量子芯片Eagle的電路運行能力超越了暴力經典模擬（即經典計算機為運行電路而精確模擬量子計算機的方法）的能力，實現了量子實用性。之所以這樣做，是為了解決一個真正的凝聚態物理問題，即為一個與我們處理器的量子比特布局結構類似的簡化原子系統計算一個名為“磁化”的屬性值。

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我們能夠證明，在不利用量子糾錯這一量子計算理論中最強大領域的情況下，我們的量子硬件能力超越了暴力經典模擬的能力。

錯誤緩解是在計算之後處理噪聲問題，量子糾錯則與之不同，它可以在計算過程中出現噪聲時便消除噪聲。而且它可以處理的噪聲類型更廣，不需要先確定特定的噪聲模型。此外，錯誤緩解的擴展能力會隨著量子電路變復雜而受到限制，但糾錯仍可在大范圍內有效工作。

不過，量子糾錯的代價也很大，它需要更多量子比特、連接和量子門。每一個要計算的量子比特可能需要更多的量子比特來糾錯。憑借在硬件改進和尋找更好的糾錯代碼方面取得的最新進展，我們可以暢想一種經過糾錯、不辜負這番努力的超級計算機。

量子糾錯方案比傳統二進制計算機的糾錯更復雜。要讓這些量子方案要發揮作用，硬件錯誤率必須低於某個閾值。自量子糾錯誕生以來，理論學家們設計出了具有更寬松閾值的新代碼，而量子計算機工程師則開發了性能更好的系統。但迄今為止，還沒有能夠利用糾錯來執行大規模計算的量子計算機。

同時，糾錯理論也在不斷發展。受莫斯科國立大學物理學家帕維爾•潘特列耶夫（Pavel Panteleev）和格列布•卡拉切夫（Gleb Kalachev）一項有前景的發現的啟發，我們決定為該系統尋找一種新型糾錯代碼。他們在2021年發表的論文中證明，“好代碼”在理論上是存在的，這些代碼為執行糾錯所需的額外量子比特在數量上更有利。