9月15日，IBM發(fā)布了一個技術路線圖，將在2021年突破100個量子比特，2023年突破1000個量子比特，并最終帶領IBM通往百萬量子比特以上級別的量子計算設備。谷歌也計劃2029年實現(xiàn)百萬量子比特。

IBM的量子技術發(fā)展路線圖

一直以來，IBM的硬件路線圖都圍繞著一個更重要的任務核心，即設計一個讓全世界的人都能夠編程的、通過云部署的全棧量子計算機。

量子比特數(shù)量明年破百，2023年破千

IBM量子團隊目前面臨的最大挑戰(zhàn)是，如何在足夠長的時間內，以非常少的誤差控制這些量子比特的大型系統(tǒng)，并能夠承擔運行未來量子應用所需的復雜量子電路的重任。

IBM量子團隊正在研究如何在較長時間內以較少誤差控制越來越大的量子比特系統(tǒng)，使其能夠用來運行未來量子應用所需的復雜計算

IBM從2000年代中期開始探索超導量子比特，增加相干時間，減少誤差，并在2010年代早期啟用多量子比特器件。從量子比特到編譯器，量子計算機在各個層面的不斷改進和進步，使IBM能夠在2016年將第一臺量子計算機接入云中。

現(xiàn)在，IBM通過云平臺為客戶和公眾提供了20多個量子計算系統(tǒng)來進行實驗，包括5－Qubit IBM Quantum Canary處理器和27－Qubit IBM Quantum Falcon處理器，其中一臺實現(xiàn)了64的量子體積（QV）。IBM對編譯器的雙量子比特門的校準進行了改進，并根據(jù)對微波脈沖的調整、對噪聲的處理和讀出進行了升級。

在努力改進小型設備的同時，IBM也在積極將以往的經(jīng)驗教訓進行整合、擴展到更大系統(tǒng)的路線圖中。事實上，這個月IBM在內部向IBM Q Network的成員發(fā)布了65－Qubit IBM Quantum Hummingbird處理器。

該設備能夠8：1讀出多路復用，這意味著可以將8個量子比特的讀出信號合并為一個，減少了讀出所需的布線和組件總量，提高了量子計算機的規(guī)模擴張能力，并且能夠同時保留Falcon 1代處理器的所有高性能特性。

2021年，IBM將推出127－Qubit Eagle處理器。為了實現(xiàn)里程碑式的100－Qubit 處理器，Eagle進行了多項升級。其中最重要的一點是，通過硅通孔（TSVs）和多層布線，提供了有效扇出大量經(jīng)典控制信號的能力，同時保護了分離層中的量子比特，以保持高相干時間。

與此同時，IBM通過Falcon引入的雙量子比特門和六邊形量子比特布局的固定頻率方法，在連通性和減少串擾誤差之間取得了微妙的平衡。這種量子比特的布局將使IBM能夠實現(xiàn)去年首次亮相的“重六邊形”糾錯編碼。

IBM還將在Eagle處理器中引入并發(fā)實時經(jīng)典計算能力，這將使其能夠執(zhí)行更廣泛的量子電路和代碼。

為小型處理器建立的設計原則將會幫助IBM在2022年發(fā)布433－Qubit Osprey系統(tǒng)。更高效、更密集的控制和低溫的基礎設施將確保處理器在擴大規(guī)模的時候不會犧牲掉單個量子比特的性能，不會引入更多的噪聲源或占用太大的空間。

2023年，IBM將首次推出1121－Qubit Condor處理器。在總結前代處理器的經(jīng)驗教訓的同時，繼續(xù)降低關鍵的雙態(tài)量子錯誤，使其能夠運行更長的量子電路。

通往百萬量子比特，實現(xiàn)量子優(yōu)勢

IBM認為Condor是一個轉折點、一個里程碑，標志著IBM有能力實現(xiàn)糾錯、擴大設備規(guī)模，并能夠同時探索復雜的潛在量子優(yōu)勢，最終使量子計算機的研究比起開發(fā)世界上最好的超級計算機來說更有效率。

建造Condor所需的開發(fā)過程，將解決量子計算機規(guī)模擴大期間的一些最緊迫的問題。然而，隨著IBM探索的領域超過了1000個量子比特，今天的商用稀釋冰箱將不再能夠有效地冷卻和隔離這樣巨大而復雜的設備。

這就是為什么IBM還推出了一種比目前市面上任何一種冷卻裝置都要大的，10英尺高、6英尺寬的“超級冰箱”，內部代號為“Goldeneye”。IBM團隊在設計這個龐然大物時考慮到了百萬量子比特的系統(tǒng)，并且已經(jīng)開始了基本的可行性測試。

最終，IBM設想的未來是量子互聯(lián)連接稀釋冰箱，每臺冰箱都能容納一百萬個量子比特，就像內部網(wǎng)連接超級計算機處理器一樣，創(chuàng)造出能夠改變世界的大規(guī)模并行量子計算機。

中國奮起直追，但仍存在差距

目前，全球范圍內已經(jīng)推出量子計算機的公司只有IBM、谷歌、霍尼韋爾、Rigetti、IonQ、D－Wave、Xanadu、本源量子等少數(shù)幾家。

2020年，除了IBM，霍尼韋爾在6月推出了型號為H?的六量子位離子阱計算機（量子體積64）現(xiàn)已上市，該系統(tǒng)具有高保真度、完全連接的量子比特，使量子開發(fā)者能夠設計更深層、更有意義的電路。

IBM的目標是保持量子體積每年翻一番，但霍尼韋爾預計在未來五年內，其量子計算機的性能每年將提高10倍。

9月，加拿大Xanadu發(fā)布全球首個光量子計算云平臺，開發(fā)人員可以基于云訪問Xanadu的光量子計算機，包括8量子位和12量子位兩個版本，24量子位的版本預計在下個月推出。這家初創(chuàng)公司預計，每六個月，其云中的量子比特數(shù)量將“大約翻一番”。

在國內，本源量子擁有6個超導量子比特的量子計算機，對標的是IBM于2017年在云端發(fā)布的5比特量子計算機。但在量子邏輯門保真度、量子比特讀取的保真度上，本源量子均超出了IBM在2017年的指標。雙方的差距不到3年。

同時，本源量子正在研發(fā)24量子比特芯片，并預計2021年推出60個量子比特的設備；另外，中科大潘建偉院士團隊透露將在2020年底實現(xiàn)60個量子比特，接近IBM目前擁有的量子比特數(shù)量。

但根據(jù)IBM最新的路線圖，明年實現(xiàn)127個量子比特，Rigetti也在為128個量子比特努力。隨著時間推移，2023年IBM將突破1000個量子比特，很可能拉大與中國的差距。

但我們也不必太過悲觀，Martinis在2013年加入谷歌之初也聲稱5年內能造出1000個量子比特以上的芯片，然而到2019年才實現(xiàn)了53個量子比特。

中國量子計算機，是時候加速了！

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