厉害了！《自然》杂志刊发，拓展IBM量子路线

作者：Jay Gambetta

译者：星宇

编辑：思颖，SOlab

排版：Kerry

深度好文，4968字=13分钟阅读

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“空间穿越”，“移形换影”，“乾坤大挪移”，这些词语听起来是不是有点玄幻那味儿？

但是量子互联网的未来，真的可以把这些幻想实现！不过，技术的发展又和我们的想象有点不太一样。我们来听听哈佛应用物理学博士 Kitty 关于量子计算基础的知识科普吧！

小红书：量子Kitty

在量子计算机研究领域，不断有持续的新消息。

来自代尔夫特的QuTech的研究人员首次成功地在三个节点之间“传送”量子比特。并将最新成果刊登在了顶级科学杂志《自然》上。

研究配图 - 1：非相邻节点之间的量子比特传态

新的突破使得在三个节点下的网络中发送量子比特成为可能。

此前，研究人员已经成功地在两个连接节点之间发送量子比特。这些节点由小型量子处理器组成。发送这些粒子对于量子互联网的发展至关重要。

量子互联网非常适合很多高价值的应用，例如信息的安全共享、连接多台量子计算机以获得更极致的计算能力，或使用高灵敏度的量子传感器。

我们是探索者。我们正在努力探索计算的极限，为一项从未实现过的技术规划路线，并描绘我们认为这些技术将如何惠及我们的客户和解决世界上最大的挑战。但我们不能仓促地踏上未知的道路。一个好的探险家需要一张地图。

IBM发展路线图

近期量子计算的一个挑战是可用的量子比特数量有限。假设我们想运行一个400个量子比特的电路，但我们只有100个量子比特设备可用。我们该怎么做？请阅读关于用经典通信进行电路构建。

两年前，我们发布了该地图的初稿，以迈出我们的第一步：雄心勃勃的三年计划，以发展量子计算技术，也被称为我们的发展路线图。从那时起，我们的探索揭示了新的发现，使我们获得了洞察力，使我们能够完善该地图，并比我们计划的走得更远。今天，我们很高兴向大家介绍该地图的最新拓展：我们计划将量子处理器、CPU和GPU编织成一个计算架构，能够解决超出传统资源范围不足的问题。

我们的目标是建立以量子为中心的超级计算机。以量子为中心的超级计算机将结合量子处理器、经典处理器、量子通信网络和经典网络，所有这些都在一起工作，彻底改变我们的计算方式。为了做到这一点，我们需要解决扩展量子处理器的挑战，开发一个提供量子计算的运行环境，提高速度和可靠性，并引入无服务器编程模型，让量子和经典处理器兼容地一起工作。

但首先：这个旅程是从哪里开始的？我们在2016年将第一台量子计算机放在云端，在2017年，我们推出了一个开源的软件开发工具包，用于为这些量子计算机编程，称为Qiskit。我们在2019年首次推出了第一个集成的量子计算机系统，称为IBM量子系统一号，然后在2020年，我们发布了我们的发展路线图，展示我们计划如何将量子计算机变成一项成熟的商业技术。

作为该路线图的一部分，我们在2021年发布了127量子比特的IBM量子Eagle处理器，并推出了Qiskit Runtime，这是一个经典系统和量子系统共存的运行环境，旨在支持量子电路的执行速度和规模。第一个版本在研究级的量子工作负载上有120倍的速度提升。今年早些时候，我们推出了带有基元的Qiskit Runtime服务：预建程序，允许算法开发人员轻松访问量子计算的输出，而不需要对硬件有复杂的理解。

现在，我们最新的地图将为我们指明前进的方向。

为无服务（Serverless）器量子计算做准备

为了从我们世界领先的硬件中获益，我们需要开发软件和基础设施，以便我们的用户能够利用它。不同的用户有不同的需求和体验，我们需要为每个角色建立工具：内核开发者、算法开发者和模型开发者。

对于我们的内核开发者--那些专注于在真实硬件上制造更快、更好的量子电路的人来说，我们将提供Qiskit Runtime并使之成熟。首先，我们将增加动态电路，它允许量子测量的反馈和前馈，以改变或引导未来操作的过程。动态电路通过减少电路深度，允许构建电路的替代模型，以及实现量子纠错核心的基本操作的奇偶校验，来扩展硬件的功能。

为了在2023年继续提高量子程序的速度，我们计划将线程引入Qiskit Runtime，使我们能够并行化地操作量子处理器，包括自动分配那些可并行的琐碎工作。在2024年和2025年，我们将在Qiskit Runtime中引入错误缓解和抑制技术，以便用户可以专注于提高从量子硬件获得的结果的质量。这些技术将有助于为未来的量子纠错打下基础。

然而，如果我们想让量子计算找到更广泛的用途，我们还有很多工作要做，比如在我们的算法开发者中--那些在经典程序中使用量子电路的人，以便做出显示量子优越性的应用。

对于我们的算法开发者来说，我们将使Qiskit Runtime 服务的基元成熟。量子计算机的独特能力是它们能够在输出端产生非经典的概率分布。因此，许多量子算法的开发与从这些分布中取样或估计其属性有关。基元是一个核心函数的集合，可以轻松和有效地处理这些分布。

通常情况下，算法开发者需要将问题分解成一系列较小的量子和经典程序，并通过协调层将数据流拼接成一个整体工作流程。我们将负责这种拼接的基础设施称为量子无服务运行，其核心是实现灵活的量子-经典资源组合，而不需要开发人员成为硬件和基础设施专家，同时在开发人员需要时只分配他们需要的计算资源。2023年，我们计划将量子无服务器整合到我们的核心软件栈中，以实现电路编织等核心功能。

研究配图 -2：高保真纠缠网络链接

什么是电路编织？

电路编织技术将较大的电路分解成较小的部分，在量子计算机上运行，然后用经典计算机将结果编织起来。

今年早些时候，我们展示了一种叫做纠缠伪造的电路编织方法，使我们可以用相同数量的量子比特使得量子系统的规模增加一倍。然而，电路编织需要我们能够运行大量的电路，这些电路被分割到量子计算资源中，并与经典计算资源协调。我们认为，具有经典通信的并行化量子处理器将能更快地带来量子优势，最近的一篇论文提出了一条前进的道路。

随着所有这些部件到位，我们很快就会为我们的模型开发者准备好量子计算--那些开发量子应用的人在他们的特定领域找到复杂问题的解决方案。我们认为到明年，我们将开始为特定的用例制作量子软件应用原型。我们将开始用我们的第一个测试案例--机器学习--来定义这些服务，与合作伙伴合作，加速实现有用的量子软件应用。到2025年，我们认为模型开发者将能够在机器学习、优化、自然科学和其他方面探索量子应用。

解决规模化问题

当然，我们知道，量子计算的核心是使运行量子程序成为可能的硬件。我们还知道，一台能够发挥其全部潜力的量子计算机可能需要数十万，甚至数百万的高质量的量子比特，因此我们必须弄清楚如何扩大这些处理器的规模。

通过433个比特的 "Osprey "处理器和1121个比特的 "Condor "处理器--分别计划在2022年和2023年发布--我们将测试单芯片处理器的极限，并控制集成到IBM量子系统二号的大规模量子系统。但我们并不打算在一个巨大的芯片上实现大规模的量子计算机。相反，我们正在开发将处理器连接成一个模块化系统的方法，能够不受物理学限制地进行扩展。

为了解决规模问题，我们将引入三种不同的方法。首先，在2023年，我们将引入 "Heron"：一个133个量子比特的处理器，其控制硬件允许独立的处理器之间进行实时的经典通信，实现上述的编织技术。

第二个方法是通过实现多芯片处理器来扩大量子处理器的规模。"Crossbill"，一个408个量子比特处理器，将由三个芯片组成，通过芯片对芯片的耦合器连接，允许在多个芯片上连续实现六重网格。这种架构的目标是让用户感觉他们只是在使用一个更大的处理器。

133个比特的 "Heron "处理器，计划于2023年问世。

除了通过多芯片处理器的模块化连接进行扩展外，在2024年，我们还计划引入我们的第三个方法：处理器之间的量子通信，以支持量子并行化。我们将推出具有内置量子通信链路的462个量子比特 "Flamingo "处理器，然后通过将至少三个"Flamingo "处理器连接成一个1386个量子比特的系统来发布这一架构的演示。我们预计这种链接将导致跨处理器的门速度更慢，保真度更低。我们的软件需要考虑到这种架构，以便我们的用户能够最好地利用这个系统。

通过独立芯片之间的双量子位门进行量子通信。

我们对规模的学习将使所有这些进展结合起来，以实现其全部潜力。因此，在2025年，我们将推出 "Kookaburra "处理器。Kookaburra将是一个带有量子通信链路的1386个量子位多芯片处理器。作为演示，我们将把三个 "Kookaburra"芯片连接成一个由量子通信连接的4158量子比特系统，供我们的用户使用。

2025年，我们将推出1386量子比特的多芯片处理器，"Kookaburra"。凭借其对量子并行化的通信链路支持，三个 "Kookaburra "芯片可以连接成一个4,158比特的系统。

2025年多芯片量子处理器的量子并行化。

这些技术的结合--经典并行化、多芯片量子处理器和量子并行化--给我们提供了所有我们需要的部件，可以将我们的计算机扩展到我们规划的路线图的任何地方。到2025年，我们将有效地消除扩展量子处理器的主要障碍，包括模块化的量子硬件和相应的控制电子设备和低温基础设施。在我们的软件和硬件中推动模块化将是实现远远领先于我们的竞争对手的量子比特规模的关键，我们很高兴能将其提供给大家。