來源: 澎湃新聞

·以量子為核心的超級計算機有著廣闊的應用前景：可以利用強大的量子計算能力來揭示化學反應和分子過程動力學的新奧秘；幫助研究人員通過模擬更優(yōu)的碳捕獲方案來應對氣候變化的挑戰(zhàn)；發(fā)現(xiàn)制造更清潔、更可持續(xù)的電動汽車電池和電網所需的材料；發(fā)現(xiàn)更高效、更節(jié)能的肥料制造方法等。

【資料圖】

當?shù)貢r間5月22日，在日本廣島舉行的G7峰會上，美國科技公司、量子計算行業(yè)的“藍色巨人”IBM宣布了一項為期10年、耗資1億美元的計劃——該公司將與東京大學和芝加哥大學合作建造由10萬個量子比特（量子信息處理的基本單位）驅動的量子計算機。如果該計劃實現(xiàn)，將能夠解決一系列世界上迫切需要解決的問題，例如找出新藥物、探索暗物質、破譯密碼等，迎來以量子為中心的超級計算機時代。

近日，美國《麻省理工學院技術評論》根據對IBM量子業(yè)務副總裁杰·甘貝塔（Jay Gambetta）的采訪，詳細介紹了這項新計劃的內容。

1.jpg

“以量子為中心的超級計算機”

一直以來，超級計算機都是全球多國重點研發(fā)和建設的對象，如美國的“深藍”“沃森（Waston）”和“Frontier”，日本的“富岳”，芬蘭的“LUMI”，還有中國的“曙光”“天河一號”“天河二號”和“神威·太湖之光”等，都是知名的超級計算機。

然而，傳統(tǒng)超級計算機不能解決一些經典計算無法處理的復雜問題，這就是量子計算的優(yōu)勢所在——量子計算利用基本粒子的獨特特性來儲存和處理信息：微觀粒子可以同時以多種能量狀態(tài)存在，這種現(xiàn)象被稱為疊加，粒子的狀態(tài)可以相互聯(lián)系或糾纏。這意味著信息可以以全新的方式進行編碼和操縱，為許多經典計算架構下不可能完成的計算任務打開了大門。

以量子為核心的超級計算機有著廣闊的應用前景：可以利用強大的量子計算能力來揭示化學反應和分子過程動力學的新奧秘；幫助研究人員通過模擬更優(yōu)的碳捕獲方案來應對氣候變化的挑戰(zhàn)；發(fā)現(xiàn)制造更清潔、更可持續(xù)的電動汽車電池和電網所需的材料；發(fā)現(xiàn)更高效、更節(jié)能的肥料制造方法等。

而10萬量子比特的系統(tǒng)，將幫助解決世界上一些最緊迫的問題，即使是當今最先進的超級計算機也可能永遠無法解決或單獨解決這些問題。

2022年底，IBM發(fā)布了包含433個量子比特的“魚鷹”（Osprey）處理器，創(chuàng)下了最大量子計算系統(tǒng)的紀錄。這一成果為未來更大規(guī)模的量子計算機的研發(fā)奠定了基礎。

IBM的愿景是，10萬量子比特的量子計算機與最好的經典超級計算機一起工作，在藥物發(fā)現(xiàn)、肥料生產、電池性能和許多其他應用方面實現(xiàn)新的突破。“我們稱它為以量子為中心的超級計算機。”IBM量子業(yè)務副總裁甘貝塔在采訪中說，“為了實現(xiàn)這一目標，我們已經把目光投向了一個關鍵的里程碑：到2033年實現(xiàn)10萬（量子）比特的系統(tǒng)。”

會上，IBM表示將推出該系統(tǒng)架構的3個基石：一是新的133量子比特IBM Heron處理器，具有新的兩量子比特門（Binary Gate）以實現(xiàn)更高的性能，還將與未來的擴展兼容，使模塊化連接的處理器能夠擴展計算機的規(guī)模。二是推出IBM Quantum System Two，這是一個模塊化和靈活的旗艦系統(tǒng)，目標是在2023年底之前上線。第三是引入量子中間件，這是一組在經典處理器和量子處理器上運行工作負載的工具，包括用于分解、并行執(zhí)行和重構工作負載的工具，以實現(xiàn)大規(guī)模的高效解決方案。

需要更多的“量子計算科學家”

到目前為止，量子計算機還沒有實現(xiàn)傳統(tǒng)超級計算機無法做到的有用操作，主要是因為這些量子計算機沒有足夠的量子比特，而且系統(tǒng)很容易被環(huán)境中的微小擾動破壞，物理學家稱之為噪聲。盡管研究人員一直在探索如何處理噪聲，但大多數(shù)人預計，量子系統(tǒng)必須大幅擴展才能將大部分量子比特用于校正噪聲引起的誤差，并在校正后支撐有用的計算。

另外，量子比特的擴展還面臨著其他問題。目前，IBM的每個超導量子比特的運行功率大約是65瓦。“如果我想做一臺擁有10萬量子比特的計算機，那就需要非常多的能源：這相當于要用一個建筑物大小的空間、一個核電站和十億美元來造一臺機器。”甘貝塔說，“從5000量子比特擴展到10萬量子比特，顯然需要技術創(chuàng)新。”

目前，IBM已經進行了原理驗證實驗，表明基于“互補金屬氧化物半導體”（CMOS）技術的集成電路可以安裝在冷量子位旁邊，只需幾十毫瓦即可控制它們。

然而，甘貝塔承認，以量子為中心的超級計算所需的技術尚未實現(xiàn)，這就是為什么學術研究是該項目重要組成部分的原因。

兩所大學在技術創(chuàng)新方面的貢獻必不可少。甘貝塔說，東京和芝加哥的研究人員已經在組件和通信創(chuàng)新等領域取得了重大進展，這些領域可能是最終產品的重要組成部分。他認為，未來十年可能會有更多的產學合作。“我們必須幫助大學做他們最擅長的事情。”他說。

甘貝塔在采訪中強調，這個行業(yè)還需要更多的“量子計算科學家”，對于創(chuàng)造機器的物理學家和希望設計并實現(xiàn)有用算法的開發(fā)人員之間的分歧，這些“量子計算科學家”可以起到彌合他們的作用。

除了硬件上的創(chuàng)新，在量子機器上運行的軟件也至關重要。甘貝塔表示，“我們希望盡快建立起這個行業(yè)，最好的方法是讓人們開發(fā)與我們的經典軟件庫類似的軟件。”

他表示，這就是為什么IBM在過去幾年里一直致力于向學術研究人員提供其系統(tǒng)：IBM的量子處理器可以通過云服務使用定制的接口來工作。他說，已經有大約2000篇關于使用該公司量子設備進行實驗的研究論文：“對我來說，這個跡象表明創(chuàng)新正在發(fā)生。”

難度很大

IBM表示，他們不能保證為該項目指定的1億美元足以實現(xiàn)10萬量子比特的目標，“實現(xiàn)這一目標肯定有風險。”甘貝塔說。

新加坡量子軟件開發(fā)商Horizon Quantum的首席執(zhí)行官喬·菲茨西蒙斯（Joe Fitzsimons）對此表示贊同。“這可能不是一段一帆風順的旅程。”他表示。

“但這是一個必須承擔的風險。”菲茨西蒙斯補充道，行業(yè)必須面對失敗的恐懼，并嘗試克服大規(guī)模量子計算所面臨的技術挑戰(zhàn)。他認為，盡管存在許多潛在的障礙，但IBM的計劃是合理的。“在這種規(guī)模下，控制系統(tǒng)將是一個限制因素，需要大幅發(fā)展，以合理有效的方式支持如此大量的量子比特。”他說。

事實上，IBM并不是第一個有如此雄心的公司。此前，谷歌曾表示，其目標是在21世紀末實現(xiàn)100萬個量子比特，盡管除開糾錯以外只有1萬個量子比特可用于計算；總部位于美國馬里蘭州的IonQ計劃在2028年前實現(xiàn)1024個“邏輯量子比特”的運算，每個邏輯量子比特將包括13個物理量子比特組成的糾錯電路；與谷歌一樣，總部位于美國帕洛阿爾托（Palo Alto）的PsiQuantum也計劃建造一臺百萬量子比特的量子計算機。

另一種觀點是，高調宣傳物理量子比特的數(shù)量有點轉移注意力的意味——構建量子比特的技術細節(jié)至關重要，這些細節(jié)會影響量子比特對噪聲的彈性和操作易用性等因素。相關公司通常會提供額外的性能指標，如“量子體積”和“算法量子比特”的數(shù)字。在未來十年，糾錯、量子比特性能和軟件主導的錯誤“緩解”方面的進步，以及不同類型量子比特之間的主要區(qū)別，將使這場競賽變得逐漸白熱化。

關鍵詞：