当今的经典超级计算机功能强大。但由于它们的计算仅限于 0 或 1 的二进制状态，因此它们在处理 自然科学模拟 等极其复杂的问题时可能会遇到困难。而量子计算机可以将信息表示为 0、1，或者可能同时表示 0 和 1，这可能具有优势。
去年，IBM 推出了 127 量子比特的计算芯片 和一个名为 IBM Quantum System Two 的结构，该结构旨在容纳诸如吊灯式低温恒温器、布线和电子设备等用于更大芯片的组件。这些发展使 IBM 在建造最强大的量子计算机的竞赛中超越了谷歌和微软等其他大型科技公司。今天，该公司正在公布其三年计划，目标是在 2025 年之前通过一款名为“Kookaburra”的处理器将量子比特数提高到 4,000 以上。以下是其计划如何实现这一目标。
为了扩展其量子比特的处理能力，IBM 将在量子芯片的硬件和软件组件方面全面展开开发。首先推出的是一款名为 Heron 的新处理器，它拥有 133 个量子比特。除了拥有更多的量子比特外，Heron 芯片的设计与其前代产品 Eagle 不同。“它实际上使我们能够获得更大比例的可用 2 量子比特门。它使用一种名为可调耦合器的 [tunable couplers] 新架构，”IBM Quantum 量子硬件系统开发总监 Jerry Chow 表示。
“与这个 Heron 新处理器的计划一起，我们希望能够拥有多个 Heron，并通过一个控制架构来寻址它们，”他补充道。“在我们构建这些芯片和处理器时，我们希望能够实现跨芯片的经典通信。”
更好的门控控制
在理解量子比特之前，你需要先理解比特和门的概念。在经典计算机上，信息被编码为二进制比特（0 或 1）。晶体管是控制电子流的开关。晶体管连接到多个电极，包括栅极电极。改变栅极电极上的电荷会控制晶体管是处于开启状态 1 还是关闭状态 0。这些状态的物理变化使计算机能够编码信息。逻辑门由特定排列的晶体管组成。一堆晶体管可以构成一个集成电路，用于存储数据块。这些电路都相互连接在芯片表面。
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量子比特的工作方式与经典比特不同，而 量子门的工作方式 也与经典门不同。与只能取值 1 或 0 的经典比特不同，在适当的条件下，量子比特 可以保持在波状的量子叠加状态，该状态表示一个由所有可能配置组成的球体——0、1，或同时是 0 和 1。每个增加的量子比特可以容纳的信息呈指数级增长，而比特是线性增长的。通过以量子比特特定的频率激发微波光子，研究人员可以控制它们的行为，这些行为包括保持、改变或读取量子信息单元。
不幸的是，量子比特非常脆弱：它们对热敏感、不稳定且容易出错。当量子比特相互通信或与环境中的布线通信时，它们可能会失去其量子特性，导致计算精度降低。在描述它们能保持叠加状态多久时，专家们会提到它们的“相干时间”。相干时间和执行门操作所需的时间共同决定了你使用一组量子比特可以进行的量子计算的规模。
“我们设计当前处理器（Falcon、Hummingbird、Eagle）的方式是使用固定的量子比特耦合，并且我们使用了基于微波的 2 量子比特交叉共振门，”Chow 说。在这些情况下，它们使用不同的频率与相应的量子比特通信。现在，它们正在增加“用于量子比特之间耦合器的独立磁场控制，”Chow 说，这使得它们能够通过变化的微波频率打开量子比特的相互作用。
多个连接的量子处理器
经典计算机有核心，也就是可以并行运行多个任务的 晶体管分组。你可以 将其设想为 超市里开了多个结账通道，而不是让所有人都排一条队。提供多核或 超线程 的 CPU 可以将一个大任务分解成小块，然后分配给不同的核心进行处理。
现在，IBM 也希望通过一种称为 电路编织 [circuit knitting] 的技术将这一概念应用于量子计算。“这实际上是将大型量子电路分解成更小、更易于理解的量子电路，然后可以近乎并行地在多个处理器上运行，”Chow 解释道。“通过这种经典的并行化，它增加了我们能够解决的问题类型和能力。”并行化也有助于降低错误率。
这一设计分支独立于 Osprey 和 Condor 的开发，它们有望在未来几年内分别达到 433 和 1,121 个量子比特。“但我们也希望内置一些模块化，这将使我们能够进一步扩展。在某种程度上，我们将在单个芯片中能够容纳的量子比特数量将开始受到限制，”Chow 说。“我们目前正在与 Osprey 和 Condor 一起测试这些界限。”
对于 Heron，其目标是让工程师测试如何在多个量子芯片之间建立量子连接。“我们正在探索所谓的模块化耦合器，它们将使我们能够有效地将多个芯片连接在一起，”Chow 说。这将创建一个由三个具有相同底层量子处理器的单个量子芯片组成的、更大、量子相干的处理器。为此，IBM 希望在 2024 年将三个芯片耦合成一个名为 Crossbill 的 408 量子比特系统。
为了进一步扩展，IBM 还在开发长距离耦合器，这些耦合器可以通过一米长的低温电缆（超导量子比特需要保持非常低的温度）连接量子处理器集群。“我们称之为“量子间通信链路”[inter-quantum communication link]，”Chow 说，它可以扩展共享低温环境中的量子相干连接。
结合并行化、芯片到芯片连接以及长距离耦合，这些能力将使他们能够实现 2025 年拥有 4,158 量子比特系统（Kookaburra）的目标。
结合经典计算与量子计算
走向量子化并不意味着要从头开始重新设计整个计算机。量子系统的很大一部分运行在经典计算基础设施上。“我们通常拥有这样的系统：量子处理器在冰箱里，你不断地用经典基础设施与之通信，”Chow 说。“经典基础设施负责生成微波脉冲、生成读数。当你对电路进行编程时，它就变成了一种门操作的编排，这些操作会发送到芯片。”
但除了拥有量子处理器外，一个控制器还可以为经典处理器（如 CPU 和 GPU）提供输入，这些处理器将以经典方式与量子芯片并行连接。这样，它就可以利用经典和量子计算能力来执行多线程应用程序。
“量子处理器提供的是一种与 GPU 或超大 CPU 不同的资源，”Chow 说。“但总的来说，整个系统将构成一个仍然被协调在一起的超级计算机。”
在 IBM 对计算未来的设想中，机器将拥有在量子硬件上运行量子电路的组件。然而，这个组件将与经典内存和经典基础设施缝合在一起。这种混合结构可用于分子模拟等问题，其使用一种名为 变分量子特征求解器 [variational quantum eigensolver] 的混合量子-经典算法。
量子软件
当 IBM 的 首个量子计算机 于 2016 年上线云端时，它带有一个名为 OpenQASM 的汇编语言，该语言一直被用于构建程序。今年，IBM 将在其 OpenQASM 3 库中集成“动态电路”[dynamic circuits]，这些电路可以同时测量量子比特和处理经典信息。这也是一项硬件改进，依赖于改进的控制电子设备以及控制端和测量端之间更好的实时通信。它可以实现更多的错误纠正和奇偶校验。
这些类型操作的基本编码语言将构成 基元 [primitives]，即算法的基本计算元素，所有这些都将成为 IBM Qiskit Runtime 平台的一部分，该平台是用于量子计算的服务和编程模型。Qiskit 包含不同级别的汇编语言，供可能需要处理代码和硬件的内核开发人员使用，以及 Qiskit 堆栈中的 API，供算法开发人员 无服务器地使用。
“在算法开发人员的这个更高级别，当您拥有这个可以访问 CPU、GPU 和 QPU 的云环境时，您不需要关心在任何特定后端上运行它，所有这些都协调在一起，”Chow 说。“它使我们能够将经典资源与我们的量子资源结合起来，以处理一些更大的量子电路问题——那些可能正在推动‘量子优势’[quantum advantage] 的问题。”
