IBM說(shuō)這4塊“方磚”才是量子運算的未來(lái)

從計算機到服務(wù)器到超級計算器再到量子計算機，基礎運算構架和原型電路基本上由IBM早期主導完成。

 

全世界各地的主要實(shí)驗室不斷針對量子運算進(jìn)行深入研究，甚至包括新進(jìn)該領(lǐng)域的Google。然而，IBM宣稱(chēng)，從該公司在量子運算研究長(cháng)達30年的經(jīng)驗來(lái)看，顯示Goole在其“線(xiàn)性”設計方面的構想并不正確，因為IBM所采用的“方磚”(square tiled)設計能夠解決在量子運算方面最重要的錯誤校正問(wèn)題，而且能夠因應未來(lái)的需求調整至任意規模。

 

IBM從1981年開(kāi)始尋找合適的量子運算架構，當時(shí)該公司出席了諾貝爾獎得主理察．費曼(Richard Feynman)首次的“信息實(shí)體”(physics of information)專(zhuān)題討論，Richard Feynman在討論中提出了量子運算的概念。

 

34年干了一件：量子運算架構實(shí)驗

 

在接下來(lái)的34年，IBM持續發(fā)展費曼的理論，發(fā)明了自家的量子運算架構，并進(jìn)行各種實(shí)驗，如今已能讓組件可靠地擴展到任意數量的量子位(qubit；Qb)——無(wú)限地延伸摩爾定律——因為它只需要50Qb，就能超越Top500.org超級計算機排行榜上最快速的超級計算機。

 

“我們目前正發(fā)布一款4Qb的系統，并針對8Qb的系統展開(kāi)實(shí)驗，”IBM Research Center實(shí)驗量子運算部門(mén)經(jīng)理Jerry Chow表示，“但與其他設計不同的是，我們已經(jīng)解決了一連串的問(wèn)題，使其得以擴展到使用任何量子位數的超級計算機。”

 

目前的原型(下圖)在市售的超級冰箱中被冷卻至15 mK(開(kāi)氏溫標)，目前已經(jīng)解決在量子運算中兩個(gè)最重要的問(wèn)題。根據IBM表示，這是指同時(shí)校正位翻轉與相位翻轉的錯誤，以及可完全擴展至任何尺寸。

 

 

IBM的4個(gè)超導量子位元首次利用正方形晶格檢測兩種量子錯誤 ，包括位誤差和相位誤差。（來(lái)源：IBM Research）
 

 

“在針對量子運算進(jìn)行研究節道路上，校正錯誤是最重要的問(wèn)題，因為量子位并不像一般計算機位那樣強勁穩定，”Jerry Chow表示，“量子位十分脆弱，并且可能因為環(huán)境與系統中的各種噪聲而受損。”

 

在量子計算機中有兩種重要的錯誤必須加以校正——位錯誤(從1到0或從0到1翻轉錯誤)以及相位翻轉誤差(這可能導致訊號在彼此間相減而非相加) 。遺憾的是，要一次解決這兩種錯誤是非常困難的。為了解決這個(gè)問(wèn)題，IBM表示必須采用方形架構，才能同時(shí)解決兩個(gè)問(wèn)題或其中一個(gè)問(wèn)題，而Google采用線(xiàn)性數組架構則存在限制。其結果是，IBM的4Qb方形數組帶來(lái)了4倍冗余，但也實(shí)現了可無(wú)誤差擴展的量子計算機。

 

 

IBM的優(yōu)化方磚布局，可增加更多量子位以及擴展至更大的系統。（來(lái)源：IBM Research）
 

 

“量子計算機需要近乎完美的量子位，才能進(jìn)行有意義的運算，所以必須要利用一些量子位來(lái)進(jìn)行錯誤校正，”Jerry Chow表示，“事實(shí)上，我們目前正在打造8Qb的架構，為單一量子位校正其他可能的錯誤。同時(shí)，我們認為大約需要13-17Qb或更多的量子位數，才能使單一量子位完全可靠。”

 

原因在于量子位不只是像一般位一樣擁有一個(gè)0或1，而是能夠迭加數值，“他們是一部份的0與部份1，而這也就是為什么在量小計算期間難以完整保留之故，”Jerry Chow說(shuō)。

 

在目前的4Qb架構中，其中有2Qb的值可加以保存，而其他的2Qb則可分別用于告訴你是否存在任何位翻轉或相位翻轉錯誤。

 

IBM的Jerry Chow在IBM華生研究中心的量子運算實(shí)驗室中檢測量子位。

關(guān)鍵字：IBM量子計算機  量子運算實(shí)驗  4量子位 

 

量子運算究極態(tài)：完美無(wú)瑕的量子位

 

接下來(lái)，IBM渴望達到量子運算的神圣目標——完美無(wú)瑕的量子位——可形成讓一臺真的量子計算機擴展成任何規模的基礎。為了實(shí)現這個(gè)目標，IBM計劃以增加量子位(目前是以8位表面晶格)來(lái)擴展現有架構，以期提供更佳保護與校正量子位錯誤，從而達到展開(kāi)營(yíng)銷(xiāo)真正量子計算機所需的完善程度。

 

“這可能得在一個(gè)可擴展的晶格中使用8、13、17或甚至49Qb，才能實(shí)現完美的神圣目標；此外，該架構可能必須改變?yōu)榫匦位蛄切位蚱渌麑ΨQ(chēng)的結構。但我們現在深信這絕對是一個(gè)可實(shí)現的目標。”

 

 

 

 

 

 

IBM的量子運算架構利用可擴展的堆棧模塊，檢測并校正量子錯誤，而且可望解決傳統計算機無(wú)法處理的問(wèn)題。 （來(lái)源：IBM Research）
 

 

一旦完善化量子計算機，不僅能夠破解當今任何加密的代碼，制作出無(wú)法破解的新代碼，同時(shí)還能讓研究人員們了解傳統計算機無(wú)法仿真的實(shí)體過(guò)程。例如，可讓普通流程運作的所有分子互動(dòng)，有助于設計者創(chuàng )造出當今無(wú)法想象的材料，從非結構性的巨量數據實(shí)時(shí)歸納出有意義的看法，以及真正理解目前只能透過(guò)反復試驗才能發(fā)現的化學(xué)反應。

 

Jerry Chow強調，“量子計算機將在各個(gè)產(chǎn)業(yè)催生一個(gè)創(chuàng )新節新時(shí)代。”

 

IBM的研究工作一部份來(lái)自美國情報先進(jìn)計劃研究署(IARPA)多量子位相干—操作計劃的贊助。