IBM 的巨型“Kookaburra”量子处理器可能于 2025 年问世

如今的传统超级计算机可以做很多事情。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会遇到困难。而量子计算机可能在这方面具有优势，因为它可以将信息表示为 0、1 或可能同时表示为 0 和 1。

去年，IBM 推出了一款 127 量子比特计算芯片和一个名为 IBM Quantum System Two 的结构，旨在容纳吊灯低温恒温器、线路和电子设备等组件，用于将来生产更大的芯片。这些发展使 IBM 在打造最强大的量子计算机的竞争中领先于谷歌和微软等其他大型科技公司。今天，该公司正在制定三年计划，到 2025 年，利用一款名为“Kookaburra”的处理器，使量子比特数超过 4,000。以下是它计划如何实现这一目标。

为了扩大其量子比特处理能力，IBM 将充实量子芯片硬件和软件组件的开发。首先推出的是名为 Heron 的新处理器，它拥有 133 个量子比特。除了拥有更多量子比特外，Heron 芯片的设计也与其前身 Eagle 不同。“它实际上使我们能够获得更大比例的 2 量子比特门功能。它使用了一种称为可调耦合器的新架构，”IBM Quantum 量子硬件系统开发总监 Jerry Chow 说。

“除了为 Heron 开发这款新处理器的计划外，我们还希望能够拥有多个 Heron，并且它们都可以通过一个控制架构进行寻址，”他补充道。“我们希望在构建这些芯片和处理器时，能够让它们之间建立经典通信连接。”

更好的门级控制

在理解什么是量子比特之前，你需要先理解什么是位，什么是门。在传统计算机上，信息被编码为二进制位（0 或 1）。晶体管是控制电子流动的开关。晶体管连接到几个电极，包括一个栅极电极。改变栅极电极上的电荷可以控制晶体管是在状态 1 下打开还是在状态 0 下关闭。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。一组晶体管可以组成一个可以存储数据块的集成电路。这些电路都在芯片表面互连。

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量子比特的工作方式与比特不同，量子门的工作方式也与传统门不同。与传统比特（其值为 1 或 0）不同，在适当的条件下，量子比特可以保持波状量子叠加状态，该状态代表所有可能配置的球体——0、1 或同时为 0、1 或两者。每个添加的量子比特可以保存的信息呈指数级增长，而比特则呈线性增长。以量子比特特定频率发射微波光子使研究人员能够控制它们的行为，可以是保存、更改或读出量子信息单元。

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。当量子比特彼此通信或与环境中的线路通信时，它们可能会失去量子特性，从而降低计算的准确性。在描述它们可以保持叠加状态的时间时，专家会提到它们的“相干时间”。相干时间和完成门所需的时间限制了使用一组量子比特可以进行的量子计算的大小。

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“我们设计当前处理器 Falcon、Hummingbird、Eagle 的方式是使用量子比特之间的固定耦合，并且我们一直在使用基于微波的 2 量子比特交叉共振门，”Chow 说道。在这些情况下，他们使用不同的频率与相应的量子比特进行通信。现在，他们正在添加“量子比特之间耦合器的个性化磁场控制”，Chow 说道，这允许他们开启与不同微波频率的量子比特相互作用。

多个相连的量子处理器

传统计算机具有核心，即可以并行运行多个任务的晶体管组。您可以将其想象为在超市开设多个收银台，而不是每个人都在一个收银台前排队。提供多核或多线程的 CPU 可以将大任务拆分为较小的部分，然后将其提供给不同的核心进行处理。

现在，IBM 希望通过一种称为“电路编织”的技术将这一概念应用于量子计算。Chow 解释说，“这种方法可以有效地利用大型量子电路，找到将它们分解成更小、更易理解的量子电路的方法，这些量子电路几乎可以并行运行在多个处理器上。”“通过这种经典的并行化，我们可以解决的问题类型和能力增加了。”并行化还有助于降低错误率。

这个设计分支与 Osprey 或 Condor 的开发是分开的，这两款产品有望在未来几年分别达到 433 和 1,121 个量子比特。“但我们也希望内置一些模块化功能，以便我们进一步扩展。在某种程度上，我们能够装入单个芯片的量子比特数量将开始变得有限，”Chow 说。“我们目前正在用 Osprey 和 Condor 测试其中的一些边界。”

Heron 的理念是让工程师测试在多个量子芯片之间建立量子链接的方法。“我们正在探索所谓的模块化耦合器，这将使我们能够有效地将多个芯片连接在一起，”Chow 说。这将创建一个本质上更大的量子相干处理器，由三个单独的量子芯片组成，底层量子处理器相同。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。

为了进一步扩大规模，IBM 还在研究远程耦合器，它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，”Chow 说，它可以在共享低温环境中扩展量子相干连接。

结合并行化、芯片到芯片的连接以及长距离耦合，他们可以实现 2025 年 4,158 量子比特系统的目标：Kookaburra。

将经典计算与量子计算相结合

走向量子化并不意味着要从头开始重新设计整台计算机。量子系统的大部分运行在经典计算基础设施上。“我们通常使用系统的方式是将量子处理器放在冰箱里，然后不断通过经典基础设施与它对话，”周说。“经典基础设施会产生这些微波脉冲，产生读数。当你对电路进行编程时，它就变成了门的编排，这些操作会进入芯片。”

但控制器不仅可以处理量子处理器，还可以将数据输入到传统处理器（如 CPU 和 GPU）中，这些处理器将与量子芯片并行连接，但不以任何量子方式连接。这样，它就可以同时利用传统和量子计算能力来执行线程应用程序。

“量子处理器提供的资源与 GPU 或超大型 CPU 不同，”Chow 说道。“但总体而言，整个系统将感觉像一台仍然协调一致的超级计算机。”

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在 IBM 对未来计算的愿景中，机器将拥有可以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结合在一起。这种混合结构可用于分子模拟等问题，它使用一种称为变分量子特征求解器的混合量子-经典算法。

量子软件

量子电路与经典电路不同，门的逻辑不同，算法的语言也不同。

2016 年，IBM 的第一台量子计算机在云端推出时，附带了一种名为 OpenQASM 的汇编语言，该语言已用于编写程序。明年，IBM 将在其 OpenQASM 3 库中集成可以测量量子比特并同时处理经典信息的“动态电路”。这也是一项硬件改进，它取决于改进的控制电子设备以及电路控制侧和测量侧之间更好的实时消息传递。它可以允许更多的错误更正和奇偶校验。

这些类型的操作的基本语言编码将形成基元，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计算服务和编程模型。Qiskit 包含不同级别的汇编语言，供可能需要使用代码和硬件的内核开发人员使用，并且 Qiskit 堆栈中的 API 可供算法开发人员无服务器工作。

“对于算法开发人员来说，在这个更高层次上，当你拥有这个可以访问 CPU、GPU 和 QPU 的云环境时，你不需要关心在任何特定的后端上运行它，所有这些都是协调一致的，”Chow 说。“它使我们能够将经典资源与量子资源结合起来，以处理一些更大的量子电路问题——这些问题可能会推动量子优势等方面的发展。”