IBM将在2023年突破千个量子比特，可能拉大与中国的差距

光子盒研究院出品

9月15日，IBM发布了一个技术路线图，将在2021年突破100个量子比特，2023年突破1000个量子比特，并最终带领IBM通往百万量子比特以上级别的量子计算设备。谷歌也计划2029年实现百万量子比特。

IBM的量子技术发展路线图

一直以来，IBM的硬件路线图都围绕着一个更重要的任务核心，即设计一个让全世界的人都能够编程的、通过云部署的全栈量子计算机。

量子比特数量明年破百，2023年破千

IBM量子团队目前面临的最大挑战是，如何在足够长的时间内，以非常少的误差控制这些量子比特的大型系统，并能够承担运行未来量子应用所需的复杂量子电路的重任。

IBM量子团队正在研究如何在较长时间内以较少误差控制越来越大的量子比特系统，使其能够用来运行未来量子应用所需的复杂计算

IBM从2000年代中期开始探索超导量子比特，增加相干时间，减少误差，并在2010年代早期启用多量子比特器件。从量子比特到编译器，量子计算机在各个层面的不断改进和进步，使IBM能够在2016年将第一台量子计算机接入云中。

现在，IBM通过云平台为客户和公众提供了20多个量子计算系统来进行实验，包括5-Qubit IBM Quantum Canary处理器和27-Qubit IBM Quantum Falcon处理器，其中一台实现了64的量子体积（QV）。IBM对编译器的双量子比特门的校准进行了改进，并根据对微波脉冲的调整、对噪声的处理和读出进行了升级。

在努力改进小型设备的同时，IBM也在积极将以往的经验教训进行整合、扩展到更大系统的路线图中。事实上，这个月IBM在内部向IBM Q Network的成员发布了65-Qubit IBM Quantum Hummingbird处理器。

该设备能够8:1读出多路复用，这意味着可以将8个量子比特的读出信号合并为一个，减少了读出所需的布线和组件总量，提高了量子计算机的规模扩张能力，并且能够同时保留Falcon 1代处理器的所有高性能特性。

2021年，IBM将推出127-Qubit Eagle处理器。为了实现里程碑式的100-Qubit 处理器，Eagle进行了多项升级。其中最重要的一点是，通过硅通孔(TSVs)和多层布线，提供了有效扇出大量经典控制信号的能力，同时保护了分离层中的量子比特，以保持高相干时间。

与此同时，IBM通过Falcon引入的双量子比特门和六边形量子比特布局的固定频率方法，在连通性和减少串扰误差之间取得了微妙的平衡。这种量子比特的布局将使IBM能够实现去年首次亮相的“重六边形”纠错编码。

IBM还将在Eagle处理器中引入并发实时经典计算能力，这将使其能够执行更广泛的量子电路和代码。

为小型处理器建立的设计原则将会帮助IBM在2022年发布433-Qubit Osprey系统。更高效、更密集的控制和低温的基础设施将确保处理器在扩大规模的时候不会牺牲掉单个量子比特的性能，不会引入更多的噪声源或占用太大的空间。

2023年，IBM将首次推出1121-Qubit Condor处理器。在总结前代处理器的经验教训的同时，继续降低关键的双态量子错误，使其能够运行更长的量子电路。

通往百万量子比特，实现量子优势

IBM认为Condor是一个转折点、一个里程碑，标志着IBM有能力实现纠错、扩大设备规模，并能够同时探索复杂的潜在量子优势，最终使量子计算机的研究比起开发世界上最好的超级计算机来说更有效率。

建造Condor所需的开发过程，将解决量子计算机规模扩大期间的一些最紧迫的问题。然而，随着IBM探索的领域超过了1000个量子比特，今天的商用稀释冰箱将不再能够有效地冷却和隔离这样巨大而复杂的设备。

这就是为什么IBM还推出了一种比目前市面上任何一种冷却装置都要大的，10英尺高、6英尺宽的“超级冰箱”，内部代号为“Goldeneye”。IBM团队在设计这个庞然大物时考虑到了百万量子比特的系统，并且已经开始了基本的可行性测试。

最终，IBM设想的未来是量子互联连接稀释冰箱，每台冰箱都能容纳一百万个量子比特，就像内部网连接超级计算机处理器一样，创造出能够改变世界的大规模并行量子计算机。

中国奋起直追，但仍存在差距

目前，全球范围内已经推出量子计算机的公司只有IBM、谷歌、霍尼韦尔、Rigetti、IonQ、D-Wave、Xanadu、本源量子等少数几家。

2020年，除了IBM，霍尼韦尔在6月推出了型号为HØ的六量子位离子阱计算机（量子体积64）现已上市，该系统具有高保真度、完全连接的量子比特，使量子开发者能够设计更深层、更有意义的电路。

IBM的目标是保持量子体积每年翻一番，但霍尼韦尔预计在未来五年内，其量子计算机的性能每年将提高10倍。

9月，加拿大Xanadu发布全球首个光量子计算云平台，开发人员可以基于云访问Xanadu的光量子计算机，包括8量子位和12量子位两个版本，24量子位的版本预计在下个月推出。这家初创公司预计，每六个月，其云中的量子比特数量将“大约翻一番”。

在国内，本源量子拥有6个超导量子比特的量子计算机，对标的是IBM于2017年在云端发布的5比特量子计算机。但在量子逻辑门保真度、量子比特读取的保真度上，本源量子均超出了IBM在2017年的指标。双方的差距不到3年。

同时，本源量子正在研发24量子比特芯片，并预计2021年推出60个量子比特的设备；另外，中科大潘建伟院士团队透露将在2020年底实现60个量子比特，接近IBM目前拥有的量子比特数量。

但根据IBM最新的路线图，明年实现127个量子比特，Rigetti也在为128个量子比特努力。随着时间推移，2023年IBM将突破1000个量子比特，很可能拉大与中国的差距。

但我们也不必太过悲观，Martinis在2013年加入谷歌之初也声称5年内能造出1000个量子比特以上的芯片，然而到2019年才实现了53个量子比特。

中国量子计算机，是时候加速了！

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1930年秋，第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开。早有准备的爱因斯坦在会上向玻尔提出了他的著名的思想实验——“光子盒”，公众号名称正源于此。