2023年IBM已准备好开始实现以量子为中心的超级计算机

量子比特，物理学术语，参照Shannon信息论中比特描述信号可能状态的特征，量子信息中引入了“量子比特”的概念。中国科学技术大学教授潘建伟及其同事陆朝阳、刘乃乐、汪喜林等通过调控六个光子的偏振、路径和轨道角动量三个自由度，在国际上首次实现18个光量子比特的纠缠，刷新了所有物理体系中最大纠缠态制备的世界纪录。

参照Shannon信息论中比特描述信号可能状态的特征，量子信息中引入了“量子比特”的概念。量子比特的英文名字为quantum bit，简写为qubit或qbit。1983年，Stephen wiesner在他量子货币的提案中第一次引入了量子比特的概念。而“量子比特”这个术语的问世应归功于Benjamin schumacher，在他论文的致谢辞中，schumacher 表示术语“量子比特”是他在同William wootters的一次谈话时提出的，只是因为它同古代的一种长度测量单位腕尺(cubit)的发音相似。在量子计算中，作为量子信息单位的是量子比特，量子比特与经典比特相似，只是增加了物理原子的量子特性。

11月9日报道，国际商用机器公司(IBM)已经制造出迄今为止最大的量子计算机。这台名为“鱼鹰”(Osprey)的计算机包含433个量子比特，是该公司此前打破纪录的127个量子比特计算机的3倍多，是谷歌公司包含53个量子比特的“西克莫”计算机的8倍多。

报道称，尽管量子计算机有望最终解决传统计算机可能永远无法解决的问题，但是人们对于制造量子计算机的最佳方式没有达成共识。IBM和谷歌把量子比特建立在电路的基础上，这些电路由可以完美导电的超导体制成。而其他人则支持使用异常巨大的原子、带电原子或光量子粒子的装置。IBM公司的奥利弗·戴尔说，制造“鱼鹰”的挑战并不仅仅在于制作更多的量子比特。量子比特可能受到由相邻量子比特施加到它们身上的力的扰乱，与“混线”使传统计算机产生故障的方式类似。当更多的量子比特被集成到一枚芯片上时，出现这种情况的可能性会更大。

“鱼鹰”通过把芯片连接到传统电子装置上来控制它所包含的量子比特。戴尔说，他和他的团队设计了这些连接，以便使量子比特得到尽可能精确的控制。报道称，由于超导线只能在接近零下273摄氏度的温度下具备超导性能，因此“鱼鹰”必须被保存在一个特制的冰箱里。戴尔和同事们还不得不确保计算机及所有导线不会让温度有一丁点的上升。

研究人员对量子计算机寄予厚望，因为与常规比特不同，量子比特能够同时代表数值0、1以及(量子力学奇异特性导致的)两者的组合。这将使它们能够进行哪怕对最先进的超级计算机而言都过于复杂的计算，例如在亚原子水平上模拟化学反应。2019年，谷歌公司曾宣布在这个方向上取得突破，当时“西克莫”解决了一个该公司声称用传统计算机不可能完成的问题。此后这一“量子霸权”多次受到挑战。报道介绍，“鱼鹰”拥有的量子比特数远大于“西克莫”，而且随着量子计算机体量的扩大，它们的性能已经变得更加强大。事实上，就存储和处理信息的状态数量而言，一台传统计算机需要拥有比已知宇宙中的原子数目更多的比特数才能与“鱼鹰”媲美。

IBM制造出了迄今全球最大量子计算机“鱼鹰”(Osprey)，其拥有433个量子比特，是该公司此前创纪录的127个量子比特计算机“鹰”的3倍多，是谷歌53个量子比特计算机“悬铃木”的8倍多。不过也有科学家指出，“鱼鹰”的纠错能力仍有待证明。

目前国际学术界实现量子计算有多条技术路线，超导量子计算是其中最有希望的候选者之一。IBM和谷歌正是基于这一路线，其核心目标是增加“可操纵”量子比特的数量，并提升操纵的精度，最终应用于实际问题。其他设备则使用原子或光子等充当量子比特。

建造“鱼鹰”面临的挑战不仅在于制造出更多量子比特，还包括更好地对其进行控制。因为量子比特会受到相邻量子比特施加的力的影响而相互干扰，导致计算机出现故障，封装到芯片上的量子比特越多，出现这种情况的可能性就越大。鉴于此，研究团队通过将芯片连接到传统电子设备上，以尽可能精确地控制“鱼鹰”内部的量子比特。此外，由于只在接近零下273摄氏度的温度下超导，“鱼鹰”必须置于一个特殊的冰箱里，而且，研究团队还必须确保量子计算机及其所有电线的温度不会升高。

美国塔夫茨大学的彼得·洛夫表示，“鱼鹰”的面世表明超导技术确实可规模化，但这台设备仍有“噪音”。他解释道，随着时间的推移，量子比特会失去量子性，给出错误结果。像“鱼鹰”这样的计算机能否捕捉并纠正自己的错误，以及IBM能否尝试用它来证明“量子优越性”都是目前面临的巨大挑战。

IBM团队计划2023年生产出一台可工作的1121个量子比特的量子计算机，该公司也在开发一种更小的芯片，以测试一种量子比特排列和连接新方法，目的是降低噪声并减少误差。

IBM认为，2023年是一个主要拐点，IBM已准备好开始实现以量子为中心的超级计算机。其目标是在未来几年稳步提升计算能力，计划在2025年推出超4000个量子比特的系统，比传统计算机更快更准确地解决一些问题，并为现在最好的计算机只能估计的问题提供精确的解决方案，实现“量子优势”里程碑。

IBM高级副总裁兼IBM研究总监达里奥·吉尔(Dario Gil)表示，IBM将在此基础上继续扩大规模，最终量子系统将包含数百万个量子比特，“我们越来越接近了。”

传统计算机使用二进制数字0或1，而量子计算机使用的量子比特以一种0和1复杂混合的量子态表示和存储信息。吉尔说，量子计算机有朝一日可能解决的问题包括模拟化学中天然材料的表现形式，甚至打破用于保护互联网安全的公开密钥加密。

IBM正在研发一种能够处理多种不同任务的量子计算机。吉尔表示，理论上，今天可以在一个芯片上放1000个量子比特，但难点在于，量子比特越多，结果的错误率就越高，它们能够维持量子态来执行计算的时间就越短。据《华尔街日报》报道，在某种程度上，这是因为量子比特很脆弱，容易被温度、噪声或频率的变化干扰。

2016年以来，IBM一直把量子计算机放在云上，供企业、大学和个人试验该技术，IBM目前有20多个用于此目的的在线系统。例如波音公司正通过云技术使用IBM的量子计算机，模拟与飞机腐蚀有关的化学反应。IBM还宣布，已将其现有量子计算机的实验客户基础扩大到210多家公司。据《华尔街日报》报道，这些公司明年一季度可以开始使用“鱼鹰”芯片。