全球超級計算機開發競賽如火如荼，IBM猝不及防甩出了手中的王牌，周一推出了該公司迄今最強大的量子計算芯片，以及量子計算機IBM量子系統二號，并制定了2033年生產出超級計算機的宏偉藍圖。

量子計算芯片，錯誤率創下歷史新低

當地時間12月4日，IBM 在公司量子峰會上首次推出了量子計算芯片“IBM Quantum Heron”（ 蒼鷺），這是IBM歷史上第一個實用級量子處理器。

“蒼鷺”處理器擁有133個固定頻率量子位，超過了127個量子位的“Eagle”（老鷹）處理器。

IBM稱，與“老鷹”相比，“蒼鷺”處理器的設備性能提高了3至5倍，而且它的錯誤率創下了歷史新低，比之前的量子處理器低三分之二。

明年，將有更多 “蒼鷺”處理器將加入IBM行業領先的公用事業規模系統群。

新型模塊化系統亮相，超級計算機距離走進現實不遠了

另外，IBM還推出了該公司第一臺擁有1000 多個量子位的量子計算機IBM 量子系統二號，相當于普通計算機中的量子位。據悉，該量子計算機將搭載3個“蒼鷺”處理器運行。

IBM向業界展示了新型模塊化系統，將機器內部的處理器連接在一起，然后將機器連接在一起，以形成模塊化系統，當與新的糾錯代碼相結合時，有望在2033年生產出引人注目的量子機器，即包括1000個邏輯量子位的超級計算機，全面釋放量子計算的能量。

IBM高級副總裁兼研究總監 Dario Gil表示：“我們正處于量子計算機被用作探索科學新領域的工具的時代。”

“隨著我們繼續推進量子系統，通過模塊化架構擴展和提供價值，我們將進一步提高公用事業規模量子技術堆棧的質量，并將其交到我們的用戶和合作伙伴手中，他們將突破量子技術的界限更復雜的問題。”

量子計算的關鍵障礙——出錯概率大

相較于傳統計算機，量子計算利用量子的糾纏和疊加，實現更加強大的并行計算能力，且計算速度要快得多。

但是，這些量子態也是出了名的變化無常，出錯概率很大。為了解決這個問題，物理學家嘗試通過誘導多個物理量子位（例如，每個物理量子位或單個離子編碼在超導電路中）來共同編碼一個信息量子位，即所謂的“邏輯量子位”。

研究人員普遍表示，最先進的糾錯技術每個“邏輯量子位”需要 1000多個物理量子位，一臺可以進行有用計算的機器需要擁有數百萬個物理量子位。

但近幾個月來，物理學家對一種稱為量子低密度奇偶校驗（qLDPC）的替代糾錯方案越來越感興趣。

根據 IBM 研究人員的1號預印本，這一數字將減少10倍或更多。該公司表示，現在將專注于構建芯片，該芯片旨在在 400 個左右的物理量子位中容納一些經過 qLDPC 校正的量子位，然后將這些芯片連接在一起。

馬薩諸塞州劍橋市哈佛大學的物理學家 Mikhail Lukin 表示，IBM 的預印本是“出色的理論著作”。

“話雖這么說，用超導量子位實現這種方法似乎極具挑戰性，甚至可能需要數年時間才能在這個平臺上嘗試概念驗證實驗，” Lukin說。

問題是qLDPC 技術要求每個量子位直接連接到至少6個其他量子位。在傳統超導芯片中，每個量子位僅連接到2-3個相鄰量子位。

但位于紐約約克敦高地 IBM 托馬斯·J·沃森研究中心的凝聚態物理學家兼 IBM Quantum 首席技術官Oliver Dial表示，該公司有一個計劃：它將在其量子計算機的設計中添加一層量子芯片，以允許 qLDPC 方案所需的額外連接。

IBM 量子副總裁 Jay Gambetta表示，該公司一直在采取雙軌方法來準備硬件，包括開發持續大量制造高質量量子位的能力。

他表示，超過1121個超導量子位的Condor表明該公司在這方面處于良好狀態，IBM在周一推出了這款處理器。

“它的量子位小了大約 50%，”Gambetta 對媒體表示，“收益率就在那里——我們的收益率接近 100%。”

IBM 一直致力于研究的第二個問題是，限制對單個或成對的量子位進行操作時發生的錯誤。

改變量子位的狀態會產生微妙的信號，這些信號可能會滲透到相鄰量子位中，這種現象就是所謂的串擾。“蒼鷺”在新型處理器中屬于較小的一款，代表了IBM研發團隊4年來為提高門性能所做的努力。

“這是一個漂亮的設備，”Gambett說，“它比以前的設備好5倍，錯誤少得多，而且串擾無法真正測量。”

量子計算何時能實現商業化？

盡管這項量子計算研究具有里程碑意義，但截至目前仍無法實現商業化。

“這一直是一個夢想，而且一直是一個遙遠的夢想，” Dial說，“實際上，讓它足夠接近，讓我們能夠看到我們今天所處的位置，對我來說是巨大的。”

IBM將其量子開發路線圖延長10年至2033年，以構建計算、糾錯能力更強大的系統。

另外，到2024年底，IBM計劃在美國、加拿大、日本和德國建立八個量子計算中心，以確保研究人員廣泛使用量子系統二號。

Gambetta同時表示：“我們需要一段時間才能從科學價值轉向商業價值。” “但在我看來，研究和商業化之間的區別正在變得越來越緊密。”

IBM 研究人員表示，最近的進展增強了他們對量子計算長期潛力的信心，盡管他們沒有預測量子計算何時會進入商業主流。