IBM：在量子计算领域不断前行的蓝色巨人
摘要：量子前哨与中关村产业研究院联合创作，针对全球范围内的量子信息科技，尤其是量子计算产业化方面的国家政策、技术脉络、活跃企业以及知名科学家等内容，进行系统性的介绍，以飨读者。这是此系列文章的第七篇。
20年，近400亿美元，22台量子计算机——这些数字表明：IBM在量子计算领域一直是最认真最坚定的玩家。在2019年国际消费电子展（CES）上，IBM推出全球首台量子计算一体机Q System One，骄傲地将其称为“世界上第一个专为科学和商业用途设计的集成通用近似量子计算系统”。该系统包含第四代20位量子比特计算机，采用模块化和紧凑的设计，具有超高的稳定性，可靠性和可商用性。这意味着可能是有史以来第一次，通用超导量子计算机走出了实验室。
IBM Q System One（图片来源：IBM官网）
该量子计算系统被保护在一个9英尺立方体，由半英寸厚的硼硅酸盐玻璃制成的密封气密外壳里，隔绝外接温度和电磁波对量子计算工作的影响，并且通过将特殊固件用于管理系统运行状况，实现系统自动升级，在此过程中用户无需停机。
这一成就被认为是通用量子计算机里程碑式的胜利，更是IBM常年不懈严谨钻研的结果。IBM认为，衡量一个量子设备的性能不仅要看量子比特的数量，还要考虑量子比特的连通性（Connectivity），门的测量误差(Measurement Errors)，相干时间(Coherence Times)的增加，设备串扰(Device Crosstalk)的减少，以及软件对电路编译效率(Compiler Efficiency)的改进等多方面，因此，他们提出了一个全新的针对量子设备整体的度量标准，量子体积（Quantum Volume）。2017年，IBM便已经使用量子比特数为5，QV为4的量子设备来提供云服务，并定下了此后每年QV翻倍增长的目标。
继2018年和2019年分别实现8QV和16QV后，2020年又是在国际消费电子展（CES 2020）上，IBM宣布其28位量子比特的量子计算机Raleigh已经达到了32QV，相比前一年又翻了一倍。这一进步被认为是IBM在量子计算设备实现量子优势的一大标志，团队表示，新系统的快速推出，得益于硬件设计的改进和新的“目标旋转”（Target Rotary）脉冲技术。目标旋转增加了两个量子纠缠操作的保真度，同时减少了相邻量子比特的错误。其相关论文已发表在《Arxiv-Quantum Physics》期刊。
建造中的IBM量子计算机（图片来源：IBM 官网）
此后的发展更是飞速。2020年8月，IBM表示他们已经升级其最新的27位量子比特系统Montreal，达到了64QV；仅4个月后，IBM量子计算副总裁Jay Gambetta在推特上宣布，其最新量子计算系统IBM Q System One-Montreal达到了128QV，比四个月前又翻了一倍。
尽管在超导量子计算上保持领先，但是IBM并未局限于这个技术路线上。2021年5月，IBM与成立于2007年的美国量子硬件初创公司达成合作，这家公司采用中性原子 (冷原子) 技术路线制备量子比特，这一技术路线将原子冷却到比绝对零度高出百万分之一度的温度，使其产生的振动最小，从而实现稳定的量子比特活动。用户可以利用IBM的开源量子软件开发工具包Qiskit，为ColdQuanta今年末将推出的100量子比特的冷原子量子计算机Hilbert编写专属应用程序。两家公司也表示将借由此次合作，共同开启对冷原子量子技术的商业化应用探索。
ColdQuanta 用激光在玻璃腔室中捕获原子阵列进行量子计算
（图片来源：ColdQuanta 官网）
2020年9月，IBM发布了扩展量子技术路线图，披露其终极目标：2023年实现超过1000量子比特的量子计算设备。根据路线图，IBM计划在2021年实现127个量子比特，2022年实现433个量子比特，2023年实现1121个量子比特，而后迈向百万级量子比特。同时IBM也表示，随着该路线图的实现，容错量子计算机将在未来十年内实现。而当下，该路线图的核心任务是设计一个通过云部署的全栈量子计算机，以使世界各地的人们都可以对其进行编程；进而建造一个大型量子计算机，颠覆各行各业。
除了对自身的超高要求，IBM更是放眼于整个行业的繁荣，意在推动量子计算整体的商业进程。2017年12月，IBM创立了IBM Q Network组织，广泛面向行业领袖、学术、政府研究实验室和初创公司，一方面为潜在客户提供量子计算应用支持指导，共同开发各行业量子应用；另一方面为同行提供基于云技术的多方资源对接，帮助他们与量子计算方面的专家和资源建立沟通，并提供通过IBM Cloud访问IBM的量子系统和模拟器的全权限。
截至2020年初，IBM Q Network已包括航空、汽车、银行和金融，能源、保险、材料和电子多个行业的100多个组织，Anthem、达美航空（Delta Air Lines）、高盛（Goldman Sachs）、富国银行（Wells Fargo）和Woodside Energy、佐治亚理工学院 、 斯坦福大学、洛斯阿拉莫斯国家实验室等巨头公司和顶尖研究机构悉数在列，共同探索量子计算实际应用。目前，IBM Q Network用户已超过20万，在IBM的量子系统和模拟器上运行了数千亿次运算，并基于此发表了200多篇有关量子实际应用的第三方研究论文。
IBM Q Network（图片来源：IBM 官网）
2020年11月， IBM还发起一项量子计算研究方面的奖项，开放科学奖（Open Science Prize），将颁发给有能力提供开源量子解决方案的个人或团队，奖金总额为10万美元。本届要求选手采用IBM的量子系统，解决超导量子比特的量子计算中两个重要挑战：减少门错误和提高电路保真度。
IBM从一开始便注重商用量子计算的市场教育工作。早在2017年，IBM便推出全球第一个收费的量子计算云服务系统，该系统让全球的研究员在无量子计算机的情况下，接入IBM的平台来实验他们的量子算法。自那时起，IBM已于三星、摩根大通（J.P.Morgan Chase & Co）、巴克莱银行（Barclays Bank）、奔驰戴姆勒等多个行业的头部企业达成前瞻性的合作，开发量子计算在各行各业的应用。2021年4月，IBM和知名医疗机构克里夫兰医学中心（Cleveland Clinic）展开为期十年的合作，目标是利用量子运算和人工智能技术，研发应对病毒的治疗方法，尤其是针对新冠肺炎病毒的专门研究，以防范下一次类似的疫情大爆发。
相信在未来，我们能看到量子计算可以应用在交通、制药、工业制造、零售、金融等等数不尽的领域，解决各种类型的难题。这将不仅颠覆商业世界，还能普惠到每一个人的生活。在IBM的规划中，距离这一天已经为时不远。
——end——
推荐阅读