打破神秘感！走进量子计算机内部

光子盒研究院出品

IBM的量子计算机

超导量子计算机的“心脏”是一个不超过5角硬币大小的芯片。量子计算机有望解决当今最好的经典计算机都难以解决的难题，芯片本身只是一个更大的难题的一个部分。与人们在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像俄罗斯娃娃一样分层：在一个类似于“Rube-Goldberg机器”的装置内有错综复杂的互连。

Rube-Goldberg机器是一种连锁反应式机器/装置，旨在以间接和“不切实际”、过于复杂的方式执行简单任务。通常，这些机器由一系列简单的无关设备组成：每个动作都会触发下一个动作的开始，最终实现既定目标。

然而，即使有复杂的结构和令人匪夷所思的设计，量子计算机仍然只是一台采用硬件和软件执行操作的机器。其中一些操作类似于经典计算机所执行的操作。今天，让我们揭开IBM量子计算机的外壳，从量子比特开始、一点一点地放大，仔细看看里面发生了什么。

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内部环境：极低温

为了表现出量子性质，物体必须要么非常小，要么非常冷。对IBM来说，这种类似吊灯的分层结构，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。它使IBM的量子比特保持冷却和稳定，这也是IBM公司为50量子比特芯片创建的基础设施。它包含很多块金属板，这些板越靠近地面就越冷；每块板的温度都不同，最顶层的温度为室温。

IBM的稀释制冷机

量子处理器被安装在稀释制冷机的最低、也是最冷的板上，温度约为10到15毫开尔文，大约是-273摄氏度。第一阶段的冷却涉及在顶层看到的垂下的大铜片，这些铜片与寒冷的“头部”相连，是封闭循环氦气低温冷却器的一部分。更多的管子送入低层，引入另一个封闭循环的低温材料：由氦同位素混合组成。

稀释制冷机内部的量子处理器

在外壳结构的后面是稀释制冷机的隐藏支持基础设施。这包括支持低温基础设施的气体处理系统，以及泵和温度监视器。然后是定制的经典控制电子设备。当用户通过IBM的量子云服务运行一个程序时，他们实际上是在协调一组门和它们的电路。这些被转化为微波脉冲，这些脉冲被适当地排序、排列，并被分配到系统中以控制量子比特。而读出脉冲则检索出量子比特的状态，将其转化为二进制值并返回结果给用户。

量子计算机背后的控制电子元件

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量子比特和“人造原子”

经典计算机使用二进制的1/0来表示信息。在量子的情况下，信息是通过量子比特表示的，它可以是0或1，也可以是0和1的组合：这是一种被称为“叠加”的现象。“在现实世界中一直都有叠加现象；例如，音乐是一种频率的叠加。因为它是一种波形，它提供了一个0和1的振幅。这意味着它带有一个相位，像所有的波一样，它们可以相互干扰。”IBM Quantum理论、算法和应用的技术负责人Zaira Nazario说。

关于IBM的System One的信息图表

超导量子比特位于芯片上，并被包装成类似印制电路板的东西，用于输入和输出信号的电线和同轴电缆突出在电路板上。在较高量子比特芯片的较新型号中，IBM一直在努力实现更紧凑的解决方案（涉及布线和集成组件），以更有效地利用空间：拥有更少的杂乱意味着组件将更容易冷却。目前，将一台量子计算机完全冷却到所需温度大约需要48小时。

把防护罩放在板子上

为了使量子计算机正常运行，每块板都必须进行热屏蔽和隔离，以防止黑体辐射影响它：工程师需要对整个装置进行真空密封，以防止不需要的光子以及其他电磁辐射和磁场。

内装稀释制冷机的容器

量子比特是用4-7 GHz的微波信号控制的。经典的电子设备产生的微波脉冲沿着电缆向下传播，将输入信号带到芯片，并将输出信号带回来。当信号沿着吊灯向下传播时，它要经过过滤器、衰减器和放大器等部件。

稀释制冷机的最上层

IBM主要使用超导量子比特。它们是位于晶圆上的小块金属，用于制造芯片。金属是由铌、铝和钽等超导材料组成的；约瑟夫森结是由两个超导材料之间分层的非常薄的绝缘体制成的，它提供了将超导电路变成量子比特所需的基本非线性元素。

“我们正在构建的是振荡器的量子用例，”IBM公司的量子基础设施主任Jerry Chow说：“振荡器将来自电源的直流电（在这种情况下是微波光子）转换成交流电，或者说是一种波。与典型的谐波振荡器不同，非线性振荡器给你提供了一个不平等的能级间距，当你有了这个，你可以隔离最低的两个，作为你的量子比特0和量子比特1。”

上图的谐振器将量子比特彼此连接起来，并与控制电子装置连接。

例如一个氢原子。从物理学的角度来看，它有一组能级；正确波长的光照射在这个原子上可以促进它进入不同的状态。当微波击中量子比特时，它正在做类似的事情。“实际上有这个人造原子：我们有一个能量量子，通过将适量的微波光子以一定的脉冲、一定的持续时间在这个非线性微波振荡器内激发或解除能量量子来移动它。”Chow解释说。

在经典计算机中，有一个开启状态（1）和一个关闭状态（0）。对于量子计算机来说，关闭状态是人造原子的基态：添加一个特定的微波光子能量的脉冲会激发它，使其达到1；如果该量子比特再次被该脉冲击中，它将被拉回基态。“假设需要5 GHz和20纳秒才能将一个量子比特完全提升到激发态，如果将能量减半或时间减半，实际上会驱动一个叠加状态。”Chow说：“这意味着，如果你用一个谐振器来测量量子比特的状态，它将有50%的机会处于0，50%的机会处于1。”

用户可以使用不同的量子比特之间的电路元件、脉冲频率、持续时间和能量来耦合它们、交换它们，或执行条件性操作，如构建纠缠态和结合单量子比特操作，在整个设备上进行通用计算。当波形相交时，它可以放大或解构信息。

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量子比特有什么用？

在过去几年里，量子计算机的实际用途已经发生了变化。“如果看看人们在2016年、2017年、2018年那个时间段里用系统做什么，那就是用量子来研究量子......凝聚态物理、粒子物理，诸如此类的东西。”IBM量子公司战略和应用研究主管Katie Pizzolato说：“这其中的关键将是利用经典资源并使其具有量子意识。我们必须让那些在其领域内的专家了解在哪里应用量子，而无需成为量子专家。”

在向他们的机器提出的量子问题方面，IBM可以归纳为三个领域：化学和材料，机器学习，以及优化（从一组可能的选项中找到解决问题的最佳方案）。关键不是将量子计算机用于问题的每一部分，而是用于最难的部分。IBM的团队一直在不断寻找现实世界中因其结构或涉及的数学问题而使经典计算机难以解决的问题。而且，有许多有趣的地方可以找到它们。

经典计算机使用二进制逻辑和电路元件（如加法器）解决基本的数学问题。然而，量子计算机在做线性代数——乘以矩阵，以及在空间中表示向量方面确实很出色。这是由于它们设计中的独特功能。它们能够相对容易地执行像因式分解这样的功能：这对经典计算机来说是非常困难的问题，因为变量和参数的数量呈指数级增长，而且它们之间的相互作用。“在因式分解问题中，有一些结构允许你利用纠缠，以及你用这些设备得到的所有东西。这就是为什么它是不同的。”Pizzolato说。

而对于化学和材料问题，量子比特只是更好地模拟了电子连接等属性。

Pizzolato说：“我们正在考虑哪些类型的东西可以映射到量子电路上，而这些东西是无法经典模拟的；然后是该如何处理它们。很多算法的讨论是如何利用这个设备的基础力学、如何在更高维的空间上进行映射、如何利用这种协调和矩阵乘法来得到我们想要的答案。”

量子比特的数值可以是0、1或两者的组合。由于量子比特是波形，工程师可以旋转0或1，使其具有负的振幅。量子比特也可以产生“纠缠”：这是一种独特的量子力学特性，没有经典的类似物。纠缠的量子比特不仅可以在0和1本身中包含信息，还可以在所有这些0和1之间相互作用。另外，在量子电路中也有可以旋转量子比特以改变其相位的门，而振荡器可以纠缠这些量子比特。

“做量子算法的艺术在于你如何操纵所有这些纠缠的状态，然后以一种方式进行干扰，使不正确的振幅抵消，而正确的振幅出现，你就得到了答案。”Pizzolato说：“与只允许在0和1之间翻转的算法相比，由于所有这些纠缠状态和这种干扰，在量子算法中将有更多的操作空间。”

Qiskit是IBM的量子计算机开源开发工具包，包含了各种类型的量子算法和不同层次的程序的信息。

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现实世界的用例

仍然难以想象量子比特在做什么？让我们看看IBM的合作伙伴如何使用量子计算机的一些例子。

例如，生物制药公司安进（Amgen）希望利用量子计算机和机器学习，根据健康记录和其他因素，预测最适合进行药物试验的病人。而波音公司正在应用量子计算来分析飞机的腐蚀系数：飞机机翼需要一定密度的材料，工程师们正用各种材料的不同层来制造它们，但需要帮助他们弄清楚应该如何安排这些层，以使机翼更坚固、更便宜、更轻。这可以归结为一个组合优化问题。

高盛公司一直在使用它来进行期权定价。“这些是非常复杂的操作，计算成本非常高。而且它们有复杂的分布，这与计算这些期权变化的导数有关（一种线性代数操作），这将告诉他们风险。”Pizzolato说。

最后，在自然科学领域，研究小组一直对使用量子计算机来研究光合作用感兴趣。

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硬件、软件并行建设

尽管IBM一直在稳步增加其量子计算机的处理器规模，并试图建立一个来自工业界、国家政府中心和学术机构的合作伙伴社区，但该公司仍在摸索推进硬件和软件的最佳方式。

此前，IBM公司曾表示，它将在2025年前准备好一台能够发挥量子优势的机器（在这种情况下，它能够可靠而准确地解决一个问题，比经典计算机更好）。这意味着，除了开发新的组件，它还需要理顺一些问题领域，并使已经运行良好的东西更加高效。

“这是该软件重点的很大一部分。我们已经认识到很多减少错误的工具、智能协调、电路编织的想法，如何分解问题来扩展我们在量子计算机上能做的事情，这些在推动技术方面将变得更加丰富。”Pizzolato说道。

参考链接：

https://www.popsci.com/technology/in-photos-journey-to-the-center-of-a-quantum-computer/

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