目標1萬個量子比特！IBM和日本機構擬聯(lián)合開發(fā)下一代量子計算機

近日，據(jù)《日本經濟新聞》報道，美國 IBM 公司與日本國家先進工業(yè)科學技術研究所（AIST）即將宣布一項合作，聯(lián)合開發(fā)下一代量子計算機。

（來源：IBM 官網(wǎng)）

據(jù)悉，雙方的目標是開發(fā)擁有 10000 個量子比特的量子計算機。作為對比，目前 IBM 開發(fā)出的較為先進的量子計算機擁有 133 個量子比特，而擁有 10000 個量子比特的量子計算機性能是其 75 倍之多。

另外，由于量子計算機系統(tǒng)需要在接近絕對零度的極低溫度下才能保證穩(wěn)定運行，因此，雙方還將聯(lián)合開發(fā)下一代量子計算機所需的能夠承受接近絕對零度極端低溫的半導體和超導集成電路，以確保量子計算機的穩(wěn)定性和可靠性。

IBM 和 AIST 預計在未來數(shù)天內簽署諒解備忘錄（MOU）并宣布此次合作項目，預計新開發(fā)的下一代量子計算機需要等到 2029 年才能正式投入使用。

需要注意的是，這個項目也是 IBM 公司首次與國外研究機構在量子計算領域開展的大規(guī)模合作。

除此之外，該報道還指出，IBM 計劃在 2025 年開始銷售其開發(fā)的擁有 1000 余個量子比特的量子計算機，屆時，日本國家先進工業(yè)科學技術研究所將聯(lián)合 IBM 培訓日本公司（比如制藥公司）使用量子計算機，以推動量子技術的普及和應用。

（來源：Pixabay）

量子計算機是一種遵循量子力學規(guī)律進行數(shù)學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的設備裝置，與傳統(tǒng)電子計算機類似，量子計算機也由硬件和軟件構成，硬件方面涵蓋量子晶體管、量子存儲器、量子效應器等；軟件方面則包括量子算法、量子編碼等。

傳統(tǒng)計算機基于二進制位進行計算，而在量子計算中量子信息處理的基本單位是量子比特（Qubit），而量子比特可以通過多種技術構建，比如超導集成電路、離子阱、光子等。

區(qū)別于傳統(tǒng)計算中只能取 0 或 1 中的一個值，作為量子計算機的基本單元，量子比特可以同時處于 0 和 1 的疊加態(tài)，量子比特的數(shù)量和質量決定了量子計算機的性能和穩(wěn)定性。

很大程度上，通過量子比特的多少可以粗略評估一臺量子計算機的性能，隨著量子比特數(shù)量的增加，量子計算機的計算能力將呈指數(shù)級增長。

量子計算機以其獨特的計算方式，在藥物發(fā)現(xiàn)、材料開發(fā)、物流優(yōu)化、微觀模擬等眾多領域展現(xiàn)出巨大潛力。量子計算機利用量子比特進行計算，能夠同時處理多種可能性，可以實現(xiàn)高效的并行計算，因此在解決諸如因子分解、數(shù)據(jù)庫搜索等某些特定復雜問題方面，量子計算機的計算能力遠超傳統(tǒng)電子計算機，還可以通過量子近似優(yōu)化算法（QAOA）在極短時間內找到全局最優(yōu)解，大幅提高效率和準確性，

以當前火熱的 AI 為例，傳統(tǒng)電子計算機的機器學習算法通常需要大量的計算資源來訓練和優(yōu)化模型，而量子計算機則可以通過量子并行性和量子態(tài)的干涉性質來加速算法訓練過程，并提高模型性能。值得一提的是，借助量子計算機還可以構建“量子神經網(wǎng)絡”等新型 AI 模型，具有更快的計算速度和更高的并行度，在大規(guī)模數(shù)據(jù)處理和優(yōu)化中發(fā)揮強大作用。

就目前而言，量子計算機仍處于初期發(fā)展階段，以 IBM 開發(fā)的 133 個量子比特的量子計算機為例，盡管 IBM 強調這些量子比特具有“最高的質量”，但其計算過程中仍然會不可避免地出現(xiàn)錯誤，因此在實際使用中通常需要借助超級計算機來彌補計算錯誤，而新開發(fā)的 10000 個量子比特的量子計算機有望“精準無誤”地進行高級組合計算，因此有望無需借助超級計算機而獨立使用。

對此，有業(yè)內人士指出，“在硬件層面，量子計算機需要達到 20000 至 30000 個量子比特水平才能夠投入商業(yè)使用。”

不可否認的是，作為一種新興的計算技術，量子計算機在一些特定領域的性能足以“碾壓”傳統(tǒng)電子計算機，展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢和應用價值，然而，由于其復雜的物理特性和嚴苛的運行環(huán)境，量子計算機的研發(fā)進程也是步履維艱。

作為全球科技巨頭，IBM 在量子計算領域走在世界前沿，此前曾多次刷新全球量子比特數(shù)量的記錄。比如，2021 年，IBM 推出了創(chuàng)紀錄的擁有 127 個量子比特量子計算機；2022 年底，IBM 又推出了擁有 433 個量子比特的“魚鷹”（Osprey）創(chuàng)下了最大量子計算系統(tǒng)的紀錄；2023 底，IBM 發(fā)布了擁有 1121 個量子比特的“禿鷹”（Condor）。除了 IBM，其他包括英特爾、谷歌、微軟等科技巨頭們也都在量子計算機領域開展探索。

比如，谷歌直接劍指“百萬量子比特”，其目標是開發(fā)出具有 100 萬個量子比特的量子計算機，而為了實現(xiàn)糾錯，谷歌計劃通過把 1000 個量子比特束縛到一起構建“邏輯量子比特”的方式來實現(xiàn)。

據(jù)了解，去年 3 月，日本理化學研究所開發(fā)的首臺國產量子計算機正式投入使用，一些高校和研究機構等可以借助云端使用這臺量子計算機。

該量子計算機擁有 64 個量子比特，與美國 IBM、谷歌等公司所使用的技術類似，也是采用在極低溫下電阻為零的超導集成電路制備的量子比特。

參考資料：

1.https://asia.nikkei.com/Business/Technology/IBM-and-Japan-institute-team-up-to-develop-next-gen-quantum-computer

2.https://newsroom.ibm.com/2023-12-04-IBM-Debuts-Next-Generation-Quantum-Processor-IBM-Quantum-System-Two,-Extends-Roadmap-to-Advance-Era-of-Quantum-Utility?mhsrc=ibmsearch_a&mhq=quantum