IBM量子云五周年，他们是如何创造历史的？

光子盒研究院出品

40年前，一群科学家聚集在MIT和IBM组织的计算物理学会议上，他们奠定了量子计算的基础。5年前，IBM发布了世界上第一台云端量子计算机，任何人都可以在不进入学术研究实验室的情况下对量子计算机进行编程。

为了纪念这两个重要的日子，IBM将于5月20日开始举行2021量子挑战赛（IBM Quantum Challenge 2021），一直持续到5月27日。

截至目前，IBM Quantum平台用户超过325000名，包括IBM Quantum Network的140多个组织。成千上万的开发人员借助开源的Qiskit软件开发工具包（下载次数：65万+），每天在IBM Quantum系统上运行20亿个量子电路。使用IBM Quantum发表了700多篇论文。

（来源：IBM）

登录即可参与：

https://quantum-computing.ibm.com/challenges

本次量子挑战赛将于美国东部时间5月20日22点至5月27日9点（北京时间5月21日10点至5月27日21点）举行。

IBM为参与者准备了五个量子编程练习，每个练习代表了从1980年至今量子计算历史上的一个里程碑，同时强调了Qiskit和IBM Quantum系统的关键功能。

这些里程碑代表了该领域最重要的进步。挑战将从Tomasso Toffoli在1980年引入Toffoli门的问题开始，然后围绕Peter Shor在1994年提出的Shor算法和在1995年引入的量子纠错提出问题。最后，将讨论：一个硬件特定的问题，作为对2007年引进超导transmon量子比特的肯定，以及一个应用变分量子本征求解器（VQE）的问题，这是2014年引入的一种算法。

挑战详情：

https://medium.com/qiskit/ibm-quantum-challenge-2021-heres-what-to-expect-65a303753ffb

IBM希望2021量子挑战赛将为初次使用量子的用户提供一个印象深刻的入门课程，同时也为经验丰富的量子老手提供一个有趣且引人入胜的问题集。像往常一样，参与者将被邀请到一个专门的Slack渠道，在那里他们将得到IBM的导师和其他参与者的支持。最终，IBM将在博客中重点介绍前10名参与者，完成所有五个练习的人将获得一枚徽章。

在2016年之前，访问量子设备并不容易。理论家必须说服IBM等机构的硬件研究人员帮助他们在定制量子处理器上实现实验。IBM高质量的设备很受欢迎，这项工作让原本就很忙的IBM Quantum团队感到紧张。因此，团队负责人Jay Gambetta和Jerry Chow决定在云上接入一个量子处理器。毕竟，IBM Quantum团队成员已经在晚上和周末远程访问这些设备来运行实验。

他们开始行动了。但在此之前，他们需要更多、更好的资源，并证明基于云的量子计算平台确实有受众。

2015年12月，该团队有机会展示社区对基于云的量子处理器的需求。在IBM举办的ThinkQ大会上，几十名研究人员齐聚一堂，讨论量子计算硬件的潜力。大会结束前，麻省理工学院教授Isaac Chuang问道：你们会使用小型的基于云的IBM量子处理器吗？大家都举起了手。

IBM量子硬件系统开发总监Jerry Chow表示：“它让我们确认了我们有一些东西，而且我们可以得到很多人的支持。”

更重要的是，它向IBM证明了这是一个值得投入资源的项目。在见证了ThinkQ 2015的观众反应后，IBM当时的科技副总裁Dario Gil询问了IBM Quantum团队，如何才能更快地交付项目。

2012年，Jerry Chow博士为一个量子实验准备稀释制冷机（来源：IBM）

他们将在四个月内完成这项任务。Gil安排IBM聘请的云软件专家Ismael Faro帮助他们开发核心框架和用户界面。IBM Quantum团队还聘请了外部设计师Carl De Torres来设计其应用程序的外观。

一开始Faro对量子没有任何经验。但在几次通话后，他得知该团队希望突出一个具有五个量子比特的设备。称为“门”的数学运算会将这些量子比特串成电路。电路和门的图看起来就像五线谱上的音符，所以团队想要一个界面，让用户直观地“合成”电路。Faro花了一个周末制作了一个网页和应用程序的原型——这正是团队想要的。

Faro说：“虽然我不太理解它，但是如果它对你有用，那么它对我来说就是完美的，”他承诺可以在四个月内完成这个项目。因此，Gil、Chow和Gambetta决定硬件也需要在四个月内投入使用。

2016年1月IBM Quantum Experience的概念验证模型。

（来源：Ismael Faro）

然而，构建前端应用程序只是这个难题的一部分。团队需要考虑完整的体验——用户如何与应用程序交互，用户可以看到哪些功能和门，用户如何将作业发送到后端，如何将作业转换为量子硬件可以理解的量子汇编语言，以及如何在一台设备上排队处理可能的数千个作业。

Faro组建了一个三个人的软件开发团队，他们日以继夜地工作，以便为用户编程设备准备好云计算基础设施。他的团队与Andrew Cross和Lev Bishop密切合作，他们开发了OpenQASM量子汇编语言，将理论家使用的符号（各种量子门符号）转换为量子计算机的语言（由专门调谐的微波脉冲组成）。与此同时，其他团队成员一起工作，为任何试图对该设备进行编程的用户编写一份量子计算指南。

只剩下硬件准备了。考虑到时间进度，该团队决定与其建造一个全新的设备，不如使用他们已经拥有的最好的量子处理器。

超导量子计算机由一块超导电子印制电路板组成，用这些微波脉冲进行编程。就像今天发生的那样，这些处理器被连接到桶大小的稀释制冷机内部的控制电子设备上。制冷机确保量子比特保持其超导特性，并面临最小的热噪声，或由过热引起的振动。但是，任何干扰都可能导致量子比特崩溃（丢失它们的编程量子信息）。

在此之前的近十年里，由IBM研究员Matthias Steffen领导的团队研究了量子之间相互作用，并致力于改进和扩展这些超导设备。他们已经取得了很多进步，但量子处理器在2016年初仍处于嘈杂的实验室环境，物理学家很难控制它们，更不用说让成千上万的人远程控制了。

在IBM从事量子计算理论工作的Bishop说：“量子不像数据库后端，后者有很多标准的基础设施，可以让设备在线，并对其进行管理。”IBM团队需要改进一种设备，不仅要使它能够抵抗噪音和错误，而且这种先进的物理设备需要在大多数时间内保持在线和持续运行。

IBM研究科学家Antonio Córcoles在平板电脑上使用IBM Quantum Experience（来源：IBM）

研究人员Antonio Córcoles也与Cross和Bishop一起校准了这些设备，使得量子比特对输入做出正确的反应，并在足够长的时间内保持其指定值，以执行计算。他们应用了IARPA资助的几年研究中开发的技术，优化了低温布线配置，以获得最佳的量子比特相干时间和门速度。

一旦量子比特开始稳定运行，研究人员需要确保他们的工作是可重复的，门产生预期的输出，然后需要确保系统每天自动校准设备两次。团队需要为用户保证设备的性能，并且需要消除几乎不断出现的故障，同时预测不熟悉量子设备局限性的用户所带来的任何问题。

事情已经到了关键时刻——团队成员牺牲自己的睡眠，为一款设备的顺利上市做准备，他们很期待向公众和竞争对手展示该设备的性能指标。但是在发布的前一晚，压力也比以往任何时候都要大。有多少人会报名参加IBM Quantum Experience？硬件将面临什么样的麻烦？

Córcoles说：“我清楚地记得前一天晚上，我坐在那里，刷新我的浏览器，等待IBM的新闻发布。”

IBM Quantum Experience于5月4日上线。这款5个量子比特的设备有着比竞争对手更好的性能指标，第一次电路执行开始如火如荼地进行。涓涓细流很快变成了洪水：第一周就有7000名用户注册了IBM Quantum Experience，第二周就有17000多名用户注册了。

IBM的5超导量子比特设备的布局（来源：IBM）

公开发布基于云的量子计算机是终极测试。因为用户带来了新的考虑因素——在实验室简单的硬退出就可以解决的问题，在基于云的硬件上不那么容易。例如，一台第三方实验室设备每运行一千次左右就冻结一次。Bishop表示，团队需要与供应商一起重写设备的软件。

接下来的几个月带来了也许是最重要的教训。IBM团队仔细研究了数百条用户反馈信息，并跟踪他们自己的修复程序，以改善体验并使过程系统化，这样他们就可以将更多的设备放到网上。他们努力寻找永久的修复方法，这样他们就可以开发更多的硬件，而不是为不断扩大的处理器群提供技术支持。

IBM学到的最大教训是如何制造稳定的设备，如何使它们在线，以及如何自动化一些最重要的实验，特别是设备校准。

理论物理学家、代尔夫特理工大学教授Barbara Terhal说：“基于云的量子计算机非常具体地展示了量子计算的意义，包括当前量子设备在量子比特数、连接性和噪声方面的所有限制。IBM产生了一大批追随者，如今任何量子研究机构或公司都喜欢提供基于云的量子处理器。”

Jerry Chow说：“我们改变了整个领域。今天，当我登录arXiv时，我都会看到一篇论文使用IBM Quantum系统来运行一些实验。它确实改变了该领域进行量子计算研究的方式。”

虽然IBM Quantum Experience只是IBM建立全球化、多样化和包容性量子计算社区的广泛努力的第一步。但是，如果没有将第一个5量子比特系统接入云端，这一切都是不可能的。

参考链接：

[1]https://research.ibm.com/blog/quantum-challenge-2021

[2]https://challenges.quantum-computing.ibm.com/iqc21

[3]https://research.ibm.com/blog/quantum-five-years

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