IBM公布最新量子处理器,一跃升级为127量子比特

来源:业界供稿    2021-11-17 11:06:35

关键字: 量子 IBM

IBM公司日前推出了其最新、也是最复杂的一代量子处理器。通过对早期芯片做出多项重要架构改进,新版本达成了一项重大成果——成功升级至127量子比特。

IBM公布最新量子处理器,一跃升级为127量子比特

IBM公司日前推出了其最新、也是最复杂的一代量子处理器。通过对早期芯片做出多项重要架构改进,新版本达成了一项重大成果——成功升级至127量子比特。

这款代号为Eagle的处理器标志着IBM在大规模量子计算机开发道路上的又一座里程碑。Eagle是蓝色巨人打造的首款100量子比特以上芯片。据IBM公司介绍,Eagle的高量子比特数也让它成为第一款由于太过先进而无法在超级计算机上模拟的量子处理器。

量子芯片的基本实现原理源自量子力学效应,因此能够在某些计算操作中达成远超传统计算机的速度表现。这项技术仍处于早期发展阶段,目前还无法实现广泛的实际应用。但人们相信未来量子计算机上的量子比特数将远超当下,最终将经典超级计算机无法解决的问题斩落于马下。

近年来,IBM公司一直在稳步增加其量子处理器中的量子比特数,希望解锁人们殷切期盼的未来应用成效。IBM早期的Canary量子芯片仅包含5个量子比特,随后公布的Falcon系列为27量子比特。去年首度亮相的Hummingbird处理器则具有65量子比特。

尽管IBM的这款最新Eagle芯片日前刚刚公布,但其后续硬件迭代工作已经被提上日程。将于明年亮相的Eagle继任者为Osprey,将包含超过400量子比特。2023年,IBM计划推出功能更强大的处理器,希望一举将量子比特推向1000大关。

这条量子芯片的探索道路绝不是简单向现有设计架构中添加更多量子比特那么简单。单是为了让Eagle拥有127量子比特,IBM的研究人员就已经做出了多项重大架构改进。

Eagle基于IBM去年重磅公布的所谓“重六边形”量子芯片设计。这套方案旨在克服大规模量子计算所面临的核心挑战之一,即量子比特错误。

在量子芯片中,各个量子比特协同工作以进行计算。量子比特间通过特殊连接彼此互通,从而交换信息并执行处理操作。但正是量子比特链接带来了新的挑战:它们会彼此干扰、导致错误,最终影响计算结果的准确率。

IBM在Eagle芯片中采用的重六边形设计有效降低了错误率。这套设计方案让芯片中的每个量子比特都与其他几个相邻量子比特相连,从而促进联合计算能力。而且与之前的架构相比,Eagle芯片架构各相邻量子比特间的链接更少,所以有助于降低错误率。

量子比特之间会相互干扰,所以链接数越低、干扰效果越弱,发生计算错误的可能性自然下降。而在新架构的支持下,Eagle中的各量子比特仍然保持有必要的数据交换能力。

IBM公司高管Jerry Chow、Oliver Dial与Jay Gambetta在博文中表示,“Eagle采用我们在Falcon处理器中首次公布的重六边形量子比特布局,其中每个量子比特都与两个或三个相邻比特连接,如同是把量子比特镶嵌在六边形的边和顶角上一样。这种特殊的连接机制降低了相邻量子比特间因为相互干扰而引发错误的可能性,从而显示提高了处理器计算能力。”

Eagle的另一大创新在于“读出多路复用”技术。在上一代量子处理器中,IBM为每个量子比特部署了一组专用的电子元件,负责将数据写入量子比特并读取计算结果。而在Eagle这边,读出多路复用技术成功减少了数据读写所需要的电子元件数量。

能够用于计算的量子力学效应只会在量子比特所处的芯片被冷却至接近绝对零度时才会出现。因此,Eagle以及IBM的其他量子芯片无法运行在标准服务器内,只能工作于强大的专用“工业冰柜”当中。

除了这只装有量子芯片的冰柜,量子计算机的机箱里还包含其他各类辅助组件。也正是量子芯片、冰柜以及整体机箱等各类部件,共同组成了一台大规模量子计算机。

除了Eagle之外,IBM此次还公布了量子计算机的下一轮迭代设计方案,即IBM Quantum System Two。蓝色巨人表示,这套设计方案不仅能够容纳Eagle,还有望承载计划于2023年推出的超1000量子比特新芯片。另外,IBM Quantum System Two还有望将多块量子芯片组合起来。

IBM计划对冷却系统中的低温组件进行空间效率优化,借此在机箱中为多块量子芯片的安置腾出空间。目前IBM公司正与Bluefors Oy合作,后者是一家专门为量子计算机开发制冷设备的芬兰企业。

IBM的量子芯片基于超导量子比特技术,因此芯片会利用处于量子态的人造原子电子表示数据信息。再辅以微波脉冲序列,IBM就能使用这些人造原子执行计算。蓝色巨人自2005年左右就一直在研究这项技术,并于2016年首次通过云端尝试交付第一台量子计算机的算力资源。

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