IBM量子计算机的核心是一个不到一角硬币大小的芯片。这些奢华的机器有望解决当今最强大的经典计算机都束手无策的难题。芯片本身只是一个更大的谜题的一部分。与人们日常生活中使用的便携式笔记本电脑不同，支持量子芯片工作的计算基础设施层层叠叠，如同俄罗斯套娃，内部有着错综复杂的连接，构成了一个类似鲁布·戈德堡机械装置的系统。
然而，即使它的构造复杂且设计令人费解，量子计算机本质上仍然是一台通过硬件和软件协同工作的机器。其中一些操作与经典计算机执行的操作类似。想了解它们是如何运作的吗？《流行科学》杂志参观了IBM位于纽约州约克敦高地的量子中心。让我们从一个叫做“量子比特”（稍后会详细介绍）的概念开始，然后一层一层地深入了解。
真是太冷了
为了展现量子特性，物体要么非常小，要么非常冷。对IBM来说，这种层叠的、像吊灯一样的结构，看起来像一个倒置的金色蒸汽朋克婚礼蛋糕，被称为稀释制冷机。它能保持其量子比特的低温和稳定，并且是该公司为这款50量子比特芯片创建的基础设施。它包含多个盘片，越靠近底部温度越低。每个盘片都有不同的温度，最顶层在室温。
量子处理器安装在稀释制冷机的最低、最冷的盘片上，温度约为10到15毫开尔文，大致相当于–460华氏度。第一阶段的冷却涉及顶部可见的大块铜件，它们通过冷头连接，作为闭环氦制冷机的组成部分。进入下层的更多管道引入了另一种闭环低温材料，它由氦同位素混合物组成。
在 the housing structure 的后面是吊灯隐藏的支撑基础设施。这包括支持制冷基础设施的气体处理系统，以及泵和温度监测器。还有定制的经典控制电子设备。当用户通过IBM的量子云服务运行程序时，他们实际上是在编排一组门和电路。这些被转换成微波脉冲，经过适当的排序、对齐并分发到系统中来控制量子比特。读出脉冲则检索量子比特的状态，这些状态被翻译回二进制值并返回给用户。
量子比特和“人造原子”
经典计算机使用二进制的0或1来表示信息。在量子计算中，信息通过量子比特表示，它可以是0和1的组合。这种现象被称为叠加。IBM量子理论、算法和应用技术负责人Zaira Nazario表示：“你在现实世界中无时无刻不感受到叠加。例如，音乐就是频率的叠加。”由于它是一种波形，它就具有0和1的幅度。这意味着它带有相位，并且像所有波一样，它们可以相互干涉。
超导量子比特放置在芯片上，并被封装在类似印刷电路板的结构中。用于输入和输出信号的导线和同轴电缆从电路板上伸出。在更高量子比特数的新型芯片中，IBM一直在努力实现更紧凑的布线和集成组件解决方案，以提高空间效率。更少的混乱意味着组件更容易冷却。目前，要将一台量子计算机完全冷却到所需温度大约需要48小时。
为了使量子计算机正常工作，每个盘片都必须经过热屏蔽和隔离，以防止黑体辐射对其产生影响。工程师们对整个设备进行真空密封，以排除不需要的光子以及其他电磁辐射和磁场。
量子比特由4到7吉赫的微波信号控制。经典电子设备产生微波脉冲，这些脉冲通过电缆向下传输，将输入信号带到芯片，并将输出信号传回。当信号沿着吊灯向下传输时，它会经过滤波器、衰减器和放大器等组件。
IBM主要与超导量子比特合作。它们是放置在晶圆上的微小金属片，晶圆用于制造芯片。金属由铌、铝和钽等超导材料制成。通过在两种超导材料之间分层一个非常薄的绝缘体而形成的约瑟夫森结，提供了将超导电路转化为量子比特所需的基本非线性元件。
IBM量子基础设施总监Jerry Chow说：“我们正在构建的是振荡器的量子类比。”振荡器将来自电源的直流电（在这种情况下是微波光子）转换为交流电，即波。
Chow说，与典型的谐振子不同，非线性振荡器提供了不相等的能级间隔。“当你有了这个，你就可以隔离最低的两个能级，将它们用作你的量子零和量子一。”
想象一个氢原子。从物理学的角度来看，它有一组能级。击中该原子的正确波长的光可以将其提升到不同的状态。当微波击中量子比特时，它也在做类似的事情。“你实际上拥有这个‘人造原子’，”Chow解释道。“我们有一个能量量子，我们通过在特定脉冲下以特定持续时间施加适量的微波光子来移动它，从而激发或去激发这个非线性微波振荡器中的能量量子。”
在经典计算机中，有一个开（1）和关（0）状态。对于量子计算机，关状态是“人造原子”的基态。施加特定能量的微波光子脉冲会将其激发，提升到1。如果量子比特再次受到该脉冲的照射，它就会回到基态。假设需要5吉赫的能量持续20纳秒才能将一个量子比特完全激发到激发态——Chow说，如果你将能量或时间减半，你实际上会驱动一个叠加态。这意味着如果你用谐振器测量量子比特的状态，你有50%的可能性是0，50%的可能性是1。
用户可以玩转电路元件、脉冲频率、持续时间和不同量子比特之间的能量，以耦合它们、交换它们或执行条件操作，例如构建纠缠态，并将单量子比特操作组合起来以在整个设备上执行通用计算。当波相交时，它可以增强或分解信息。
量子比特有什么用？
量子计算机的实际应用在过去几年中不断发展。IBM量子战略与应用研究主管Katie Pizzolato说：“如果我看看人们在2016年、2017年、2018年这段时间里是如何使用这些系统的，那就是用量子来研究量子……凝聚态物理、粒子物理，诸如此类的事情。这里的关键将是利用经典资源并使其具备量子意识。我们必须让那些在其领域拥有专业知识的人了解在哪里应用量子，而不是成为量子专家。”
IBM在量子计算领域看到的关于提交给其机器的量子问题的兴趣可以分为三类：化学与材料、机器学习和优化（从一组可能选项中找到问题的最佳解决方案）。关键不在于在问题的每个部分都使用量子计算机，而是用在最难解决的部分。
IBM的团队一直在不断寻找由于其结构或涉及的数学而难以被经典计算机解决的现实世界问题。而这些问题有很多有趣的来源。
经典计算机使用二进制逻辑和加法器等电路组件来解决基本数学问题。然而，量子计算机在进行线性代数——矩阵乘法，以及在空间中表示向量方面非常出色。这是由于其设计中的独特特性。它允许它们相对容易地执行因式分解等功能——这是一个经典计算机极其难以解决的问题，因为它涉及变量和参数以及它们之间的相互作用呈指数级增长。“因子分解问题中有一些结构可以让你利用纠缠，以及你从这些设备中获得的所有东西。这就是它不同的原因，”Pizzolato说。
在化学和材料问题方面，量子比特在模拟键和连接电子等性质方面更胜一筹。
Pizzolato说：“我们正在考虑哪些类型的事情可以映射到经典计算机无法模拟的量子电路上，然后我们如何处理它们。很多算法的讨论都是关于如何利用设备底层的机制。如何映射到高维空间，以及如何利用这些矩阵的协调和乘法来产生你想要的结果。”
请记住，量子比特可以取0、1或两者的组合值。由于量子比特是波形，工程师可以旋转0或1使其具有负幅度。量子比特还可以发生纠缠——这是量子力学的一个独特属性，在经典世界中没有对应物。纠缠的量子比特不仅可以包含0和1本身的信息，还可以包含它们之间所有相互作用的信息。此外，量子电路中存在门，可以旋转量子比特来改变其相位，振荡器可以纠缠这些量子比特。
Nazario说：“构建量子算法的艺术在于如何操纵所有这些纠缠态，然后以一种错误幅度相互抵消、正确幅度向前推进的方式进行干涉，从而得到答案。与只能在0和1之间切换的算法相比，由于所有这些纠缠态和干涉，你在量子算法中有更多的操作空间。”
Qiskit，IBM的开源量子计算机开发套件，包含了不同详细程度的各种量子算法和程序信息。
实际应用示例
仍然觉得可视化量子比特在做什么很困难？让我们来看看IBM合作伙伴如何使用量子计算机的一些例子。例如，生物制药公司Amgen正在寻求利用量子计算机和机器学习，根据健康记录和其他因素来预测最适合药物试验的患者。
波音公司正在应用量子计算来分析飞机上的腐蚀系数。飞机机翼需要一定密度的材料。工程师们用不同层次的各种材料来制造它们，但需要帮助来弄清楚如何排列这些层次，使机翼更坚固、更便宜、更轻。这归结为一个组合优化问题。
高盛一直将其用于期权定价。“这些是非常复杂的操作，计算量巨大。它们有复杂的分布，”Nazario说。这涉及到计算这些期权变化的导数（一种线性代数运算），这将告诉他们风险。
最后，在自然科学领域，研究小组一直对使用量子计算机研究光合作用感兴趣。
并行构建
尽管IBM一直在稳步提高其量子计算机的处理器尺寸，并正在建立一个由工业界、国家政府机构和学术机构组成的合作伙伴社区，但该公司仍在努力寻找改进硬件和软件的最佳方法。
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该公司此前曾表示，到2025年将有一台能够实现量子优势（即能够可靠准确地解决比经典计算机更好的问题）的机器。这意味着，除了开发新组件之外，它还需要解决一些问题领域，并使已经有效的东西更有效。
Pizzolato说：“这是软件工作的很大一部分。我们已经认识到，很多工具，比如误差缓解工具、智能编排、电路针织的想法，我们如何分解问题以扩展我们在量子计算机上能做的事情，这些正在变得越来越普遍，因为它们能够推动技术发展。”
