回首 1969年，人類克服了空前的技術障礙，掀開新的歷史篇章：載人成功登月并安全返航。現代計算機功能強大，但人類卻依舊無法自如地用計算機精確捕捉浩渺宇宙中最為精細的部分。除非跳出思維局限，不再桎梏于已知的計算世界，否則打造真正捕捉原子運動并可利用這些行為解決某些最棘手的時代問題幾乎是天方夜譚。不過，與登月計劃一樣，終極目標在于領略全新的世界，傳統計算機無法做到：但我們希望打造一臺大型量子計算機。未來的量子計算機將彌補傳統計算機的缺憾，控制原子運動軌跡，面向各行各業推廣運行革命性應用，鑄就改變世界的材料或者轉變當前的業務模式。

今天，我們公開發布發展藍圖，堅信在它的指引下，必定可以擺脫當前嘈雜的小型設備，順利步入百萬級以上量子比特設備時代。我們的團隊正在開發一套更大、更好的可擴展式處理器，目標是在 2023年底推出千級以上量子比特設備 (1,000-plus qubit device) IBM Quantum Condor。為超越 Condor，推出更大位級的設備，我們正在積極開發稀釋制冷機 (Dilution refrigerator)，規模遠超過目前市售的任何稀釋制冷機。根據這一發展藍圖，我們將發揮行業領先的知識、多學科團隊和敏捷方法，對這些系統的各個層面實施改進，朝百萬級以上量子比特處理器的未來目標持續邁進。一直以來，硬件發展藍圖始終是實現崇高使命的關鍵：設計一款全堆棧量子計算機，通過云進行部署，使全球每一位用戶都能參與編程。

IBM Quantum 團隊打造量子處理器 — 即依靠基本粒子的數學運算來擴展計算能力，運行的電路為量子電路，并非數字計算機的邏輯電路。通過人造原子的電子量子態表示數據，稱之為超導跨子量子位 (Superconducting Transmon Qubits)，這些量子位通過微波脈沖序列連接和操縱，以便運行量子電路。但是，由于與外界的相互作用，量子位很快就會偏離它們的量子態。團隊當前面臨的最大挑戰在于，如何在錯誤率較低的前提下，在足夠長的時間內控制超大規模的量子位系統，從而保證未來量子應用所需的復雜量子電路能夠正常運行。

探索超導量子位，向更大的系統擴展

IBM 自 2005年左右開始探索超導量子位，增加相干時間、減少誤差，實現了多量子位設備。而后從量子位到編譯器等系統各層次的不斷細化和改進，2016年推出首臺支持云端的量子計算機。對此，我們深感自豪。如今，我們依托 IBM 云計算運行二十余個穩定系統，供客戶和廣大公眾試用，包括 5 量子比特 IBM Quantum Canary 處理器和 27 量子比特 IBM Quantum Falcon 處理器——而且近期還在其中一個處理器中運行足夠長的量子電路，宣布量子體積達到 64。這項偉大的意義不在于增加量子比特；相反，我們對編譯器實施多重改進，優化雙量子比特門校準，并根據微波脈沖調整對“干擾信息的處理和讀出”進行升級。為此，務必以硬件建設為基礎，采用獨特工藝達到世界領先的設備指標，以便獲得可靠的性能。

在努力改進小型設備的同時，IBM 還積極總結過往經驗，繪制宏偉藍圖，向更大的系統擴展。事實上，本月 IBM 已面向內部 IBM Q Network 成員發布 65 量子比特 IBM Quantum Hummingbird 處理器。該設備能夠 8:1 讀出多路復用 (Multiplexing)，這意味著可以將八個量子比特的讀出信號合并為一個，減少讀出流程所需的布線和組件總量，提高量子計算機的規模擴張能力，并且能夠同時保留 Falcon 這一代處理器的所有高性能特性。大幅縮短相關控制系統的信號處理等待時間，為即將出現的反饋和前饋系統能力提升做好準備，屆時將可以一面運行量子電路，一面根據經典條件控制量子比特。

明年，我們將推出 127 量子比特 IBM Quantum Eagle 處理器。為突破 100 量子比特里程碑，Eagle 進行了多項升級：最重要的是，通過硅通孔 (TSVs) 和多層布線有效扇出大密度經典控制信號，同時保護分離層中的量子比特以保持高相干時間。與此同時，通過 Falcon 引入的雙量子比特門(Two-qubit gates)和六邊形量子比特布局(Hexagonal qubit arrangement)的固定頻率方法，巧妙平衡連通性與減少串擾誤差。這種量子比特布局有利于實現團隊去年首次展示的“重六邊形”糾錯編碼( “Heavy-hexagonal” error correcting code) 。隨著物理量子比特數量的不斷擴展，還能夠進一步探索它們如何以糾錯邏輯量子比特的形式共同運行 —— 我們設計的每一款處理器均充分考慮容錯問題。

在 Eagle 處理器中，我們還將引入并發實時經典計算能力，使其能夠執行更廣泛的量子電路和代碼。

依托成熟的小型處理器設計原則，預計將在 2022年發布 433 量子比特 IBM Quantum Osprey 系統。控制結構和低溫基礎架構更高效、更密集，避免處理器在擴大規模的過程中犧牲單個量子比特的性能，也不會引入更多的噪聲源或占用太大的空間。

探索復雜的潛在量子優勢，超越全球最優超級計算機的開發速度

2023年，我們將首次推出 1,121 量子比特 IBM Quantum Condor 處理器。總結前幾代處理器的經驗教訓，繼續減少關鍵雙量子比特錯誤，以便運行更長的量子電路。在我們看來，Condor 既是轉折點，又是重大里程碑，標志著 IBM 有能力實現糾錯、擴大設備規模，同時還能探索復雜的潛在量子優勢 —— 更高效地處理量子計算機面臨的問題，超越全球最優超級計算機的開發進度。

打造 Condor 離不開開發活動，解決量子計算機規模擴大過程中面臨的一些最緊迫的問題。然而，隨著 IBM 的探索超越千級量子比特，當今的商用稀釋制冷機將無法再對如此龐大而復雜的設備進行有效冷卻和隔離。

因此，我們還推出 10英尺高、6英尺寬的“超級制冷機”，內部代號為“Goldeneye”，規模超過當前市場上的任何一款商用稀釋制冷機。團隊在設計這款巨型制冷機時已有意開發百萬級量子比特系統，而且已啟動基本可行性測試。

最后，IBM 設想的未來十分理想：量子與稀釋制冷機相互連接，每臺稀釋制冷機容納百萬量子比特，好比通過內聯網連接超級計算機處理器，打造足以改變世界的大規模并行量子計算機。

掌握發展方向并不能消除障礙；科技發展史上最嚴峻的一些挑戰近在眼前。但是，在清晰愿景的指引下，我們有理由相信，十年內將有望打造出容錯量子計算機。

Jay Gambetta

IBM 院士，IBM Quantum 副總裁

責任編輯：PSY

原文標題：IBM 量子技術擴展藍圖

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