本周，IBM 发布了其代号为Eagle的127量子比特量子计算芯片，在制造最强大的量子计算机的竞赛中又添一员猛将。
其芯片将与中国科学技术大学的合肥量子物理科学国家实验室、谷歌以及 微软 等机构的芯片展开竞争。
Eagle是一款量子处理器，其 大小约等于一枚四分之一美元硬币。与存储信息为0或1的常规计算机芯片不同，量子计算机可以表示信息，其基本单位称为量子比特，由于一种名为叠加的独特属性，量子比特可以同时取值为0、1或两者兼有。IBM表示，Eagle在一个芯片上容纳了100多个量子比特，这可以增加“执行算法所需的内存空间”，理论上可以帮助量子计算机解决更复杂的问题。
“几十年来，人们一直对量子计算机的前景感到兴奋，因为我们已经了解到，有些算法或程序可以在这些机器上运行，而在传统或经典计算机上却无法运行，”滑铁卢大学量子计算研究所副教授、与IBM进行研究合作的David Gosset表示，“这可以加速某些特定问题的解决。”
以下是关于这些新芯片以及量子计算的普遍知识。
量子计算机可以提供帮助的几种方式
所有这些高科技都引发了一个问题：量子芯片到底有什么用？
科学家们推测，有三类大型任务是量子计算机可以比传统机器做得更好的。当物理学家Richard Feynman和David Deutsch在20世纪80年代首次提出量子计算机的概念时，他们的想法是利用它们来模拟经典算法和传统计算机无法准确描绘的分子等量子系统。
量子计算机在执行某些数学函数（如整数分解）方面也得心应手，这是数学家Peter Shor在20世纪90年代提出的一个应用场景。互联网上用于加密数据的某些密码系统就依赖于这个问题的难度。“确实，量子计算机可以用来破解我们目前在经典计算机上使用的一些加密技术，” Gosset说，“然而，有一个被称为后量子密码学的整个领域，该领域致力于开发新的、能够抵抗破解的经典密码系统。”
最后，得益于计算机科学家Lov Grover首次提出的算法，量子计算机可以在未排序的数据库中进行比经典计算机更快的搜索。
在更近的时代，IBM的一些客户使用量子计算机来模拟分子或解决化学问题中的动力学，而另一些客户则尝试将其应用于机器学习和优化任务。
Eagle芯片的研发历程始于2016年，当时IBM在云上发布了一台名为Quantum Experience的5量子比特量子计算机。从那时起，该公司发布了一系列量子比特数量不断增加的芯片——它们都以鸟类命名，并且每款芯片都面临着各自的技术挑战。
IBM的量子计算硬件由超导电路组成。量子比特本身由一种称为铌的超导材料制成。该系统的布局看起来像一个与电容器并联的电感器。这两个元件控制着电路中的电流，而电感器是一种名为约瑟夫森结的非线性元件，这是一个氧化铝纳米级结。这种类型的超导量子比特最早在21世纪初于耶鲁大学得到开创性研究，实际上，它看起来像一个可以通过一系列微波脉冲控制的人造原子。
猎鹰和蜂鸟的飞行
量子芯片的工作原理一般是这样的。
基本上，所有量子芯片都连接到一个 控制系统，该系统包含用于操作量子处理器的电子设备。它们可以通过导线向量子比特馈送脉冲。“你通过发射微波或输入具有特定频率的信号来与它们交流。每个量子比特都有自己的频率，这就像光的颜色一样。就像每个量子比特都有自己的序列号，”滑铁卢大学量子计算研究所教授Christopher Wilson解释道。
对于27量子比特的Falcon芯片，IBM的工程师们不得不解决如何精确调整他们制造的约瑟夫森结的问题。“当你制造它们时，你的制造过程会导致这些量子比特最终能量上存在一定的分布，”IBM Quantum量子硬件系统开发总监Jerry Chow说。为了制造出许多具有正确能量的量子比特，他们开发了一种激光退火技术，使他们能够在芯片制造后 将量子比特的频率调整到正确的位置。
Eagle之前的一款芯片是65量子比特的Hummingbird。那时的挑战是如何读取单个量子比特。
“有了这么多量子比特，你需要引入导线来控制它们，并引出导线来读取它们，然后将整个系统放入[制冷机中]进行冷却和制冷，”Chow说。“我们以一种方式设计了芯片，使得每8个量子比特使用一个读取链。这影响了我们在制冷系统中保留的组件总量。”
Eagle，他们目前的芯片，需要一种高效的布线方案。“当达到100（量子比特）级别时，要引入导线来实际寻址每一个量子比特就非常困难了，这完全是一个空间问题，”Chow说。在过去的版本中，芯片是“凸点键合”的，这意味着一个芯片带有量子比特，另一个芯片带有部分布线。“即使那样，随着规模的扩大，将所有布线都导向正确的位置仍然非常困难。”
但Eagle芯片内部包含一系列层，实现了多层布线。“我们能够嵌入更多的控制电路，使我们能够扇入和扇出信号，以寻址Eagle中拥有的量子比特数量，”Chow说。在他们博客文章中的交互式动画里，IBM将这些层从上到下分解为量子比特平面、谐振器平面（用于量子比特读取）、布线平面（将信号路由到量子比特平面）以及互联器（传输信号）。这种设计受到了经典计算机芯片半导体技术中常见的微处理器的启发。
Eagle芯片的另一个特点是固定量子比特的六边形晶格结构。“其想法是，你拥有这些电路元件，即量子比特，我们需要做的是将它们连接起来，”Chow解释道。量子比特以蜂窝状排列——想象一下在每个顶点和边上都有一个量子比特。一种名为量子总线的电路元件被用来连接相邻的量子比特。这种晶格设计可以追溯到Falcon芯片。它使我们能够在单个图上实现高密度的量子比特阵列，因为它减少了量子比特之间的能量碰撞，从而可以降低错误率并保持量子比特的相干时间。
相干时间是指量子比特保持在波状量子叠加态的时间。但是，当量子比特与周围环境中的导线进行相互作用时，量子信息会泄漏出去，导致退相干。“相干时间和执行量子门所需的时间‘决定了你可以进行的计算的规模有多大’，”Wilson说。
Eagle的相干时间在70到110微秒之间，这“与我们早期Falcon处理器中位数的相干时间相当，”Chow说。然而，在一个与Eagle并行开发的、新一代的Falcon处理器中，Chow声称他们已经能够将中位数相干时间推高到300微秒。
“我们已经测试了所有的量子比特，检查了所有的门是否都在工作。我们仍在继续对所有这些门进行微调，使它们具有更高的保真度、更低的错误率。我们已经进行了简单的纠缠演示，”Chow说。“随着我们继续对其进行全面表征，我们将进行量子体积测试以衡量质量，CLOPS [每秒电路层操作数] 测试以衡量速度。”
即将推出的Osprey的更新冷却系统
IBM对未来的更大芯片充满期待：一款名为Osprey的芯片将拥有400个量子比特，另一款名为Condor的芯片将拥有1000个量子比特。但对于如此高密度的连接，Chow的团队认为目前的单吊灯系统可能不足以维持整个系统的冷却。
目前容纳了吊灯式制冷机、布线以及量子计算机周围控制电子设备的System One容器即将进行升级。“其中一个重要问题是我们对制冷环境需要更大的空间，所以需要一个更大的冰箱，”Chow说。“我们一直在与Bluefors合作，设想那种更大、更易于使用的冰箱空间将是什么样子。”
数量很重要，但并非一切
许多专家同意，突破100量子比特的障碍值得关注，因为过去几年里，大多数量子计算机的量子比特数量都在50到70个之间（谷歌在2019年实现“量子霸权”的计算机拥有53个量子比特）。
作为参考，在经典计算机的内存中表示一个量子状态的成本会随着每个量子比特的增加呈指数级增长。
“当谈论40或50个量子比特时，世界上有一些机器拥有足够的计算机内存，也许是这些庞大的超级计算机，”Gosset说。“那是使用海量磁盘空间将量子态存储在内存中的边界。但是对于100个量子比特，你真的无法将完整的量子态存储在计算机内存中。”
然而，专家们表示，判断量子计算机是否真正有用不仅仅取决于量子比特的数量。“这取决于设备的连接性，也就是你对不同量子比特应用门的能力，”Gosset补充道。“这还与量子比特的保真度有关，换句话说，就是设备中发生的错误的速率。”
制造量子计算机的方法不止一种
尽管超导量子比特是构建量子计算机最受欢迎的材料，但这绝不是唯一的方法。“IBM和谷歌研究超导量子比特，而微软则在研究一种更初级的称为拓扑量子比特的方法，”哥伦比亚大学物理学助理教授Sebastian Will说。“这两种技术在一定程度上都依赖于与我们从经典计算机中了解到的硅芯片相似的制造技术和方法。”
但Will指出，其他有前途的量子计算平台，如基于囚禁离子和中性原子的系统也存在。“在许多方面，基于离子或中性原子的量子计算系统比超导量子比特更简单，因为量子比特不需要被制造出来，”他说。“大自然已经以离子和原子的形式提供了它们。”
霍尼韦尔，例如，正在开发囚禁离子量子计算机，利用电磁场来囚禁离子，并使用微波信号和激光对其进行编码。但总的来说，它们更常出现在大学实验室和小型初创公司。
由于量子计算机的硬件工程比经典计算机更复杂，“今天尚不清楚哪些是真正有用的量子计算机最有前途的硬件平台，”Will说。“最有说服力的将是演示，即量子计算机比经典计算机更好地解决了相关的现实世界问题。”
