IBM說(shuō)這4塊“方磚”才是量子運(yùn)算的未來(lái)

從計(jì)算機(jī)到服務(wù)器到超級(jí)計(jì)算器再到量子計(jì)算機(jī)，基礎(chǔ)運(yùn)算構(gòu)架和原型電路基本上由IBM早期主導(dǎo)完成。

 

全世界各地的主要實(shí)驗(yàn)室不斷針對(duì)量子運(yùn)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，從該公司在量子運(yùn)算研究長(zhǎng)達(dá)30年的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，顯示Goole在其“線性”設(shè)計(jì)方面的構(gòu)想并不正確，因?yàn)镮BM所采用的“方磚”(square tiled)設(shè)計(jì)能夠解決在量子運(yùn)算方面最重要的錯(cuò)誤校正問(wèn)題，而且能夠因應(yīng)未來(lái)的需求調(diào)整至任意規(guī)模。

 

IBM從1981年開始尋找合適的量子運(yùn)算架構(gòu)，當(dāng)時(shí)該公司出席了諾貝爾獎(jiǎng)得主理察．費(fèi)曼(Richard Feynman)首次的“信息實(shí)體”(physics of information)專題討論，Richard Feynman在討論中提出了量子運(yùn)算的概念。

 

34年干了一件：量子運(yùn)算架構(gòu)實(shí)驗(yàn)

 

在接下來(lái)的34年，IBM持續(xù)發(fā)展費(fèi)曼的理論，發(fā)明了自家的量子運(yùn)算架構(gòu)，并進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)，如今已能讓組件可靠地?cái)U(kuò)展到任意數(shù)量的量子位(qubit；Qb)——無(wú)限地延伸摩爾定律——因?yàn)樗恍枰?0Qb，就能超越Top500.org超級(jí)計(jì)算機(jī)排行榜上最快速的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

 

“我們目前正發(fā)布一款4Qb的系統(tǒng)，并針對(duì)8Qb的系統(tǒng)展開實(shí)驗(yàn)，”IBM Research Center實(shí)驗(yàn)量子運(yùn)算部門經(jīng)理Jerry Chow表示，“但與其他設(shè)計(jì)不同的是，我們已經(jīng)解決了一連串的問(wèn)題，使其得以擴(kuò)展到使用任何量子位數(shù)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。”

 

目前的原型(下圖)在市售的超級(jí)冰箱中被冷卻至15 mK(開氏溫標(biāo))，目前已經(jīng)解決在量子運(yùn)算中兩個(gè)最重要的問(wèn)題。根據(jù)IBM表示，這是指同時(shí)校正位翻轉(zhuǎn)與相位翻轉(zhuǎn)的錯(cuò)誤，以及可完全擴(kuò)展至任何尺寸。

 

 

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

 

“在針對(duì)量子運(yùn)算進(jìn)行研究節(jié)道路上，校正錯(cuò)誤是最重要的問(wèn)題，因?yàn)榱孔游徊⒉幌褚话阌?jì)算機(jī)位那樣強(qiáng)勁穩(wěn)定，”Jerry Chow表示，“量子位十分脆弱，并且可能因?yàn)榄h(huán)境與系統(tǒng)中的各種噪聲而受損。”

 

在量子計(jì)算機(jī)中有兩種重要的錯(cuò)誤必須加以校正——位錯(cuò)誤(從1到0或從0到1翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤)以及相位翻轉(zhuǎn)誤差(這可能導(dǎo)致訊號(hào)在彼此間相減而非相加) 。遺憾的是，要一次解決這兩種錯(cuò)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(gòu)，才能同時(shí)解決兩個(gè)問(wèn)題或其中一個(gè)問(wèn)題，而Google采用線性數(shù)組架構(gòu)則存在限制。其結(jié)果是，IBM的4Qb方形數(shù)組帶來(lái)了4倍冗余，但也實(shí)現(xiàn)了可無(wú)誤差擴(kuò)展的量子計(jì)算機(jī)。

 

 

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

 

“量子計(jì)算機(jī)需要近乎完美的量子位，才能進(jìn)行有意義的運(yùn)算，所以必須要利用一些量子位來(lái)進(jìn)行錯(cuò)誤校正，”Jerry Chow表示，“事實(shí)上，我們目前正在打造8Qb的架構(gòu)，為單一量子位校正其他可能的錯(cuò)誤。同時(shí)，我們認(rèn)為大約需要13-17Qb或更多的量子位數(shù)，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(shù)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(jì)算期間難以完整保留之故，”Jerry Chow說(shuō)。

 

在目前的4Qb架構(gòu)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(zhuǎn)或相位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤。

 

IBM的Jerry Chow在IBM華生研究中心的量子運(yùn)算實(shí)驗(yàn)室中檢測(cè)量子位。

關(guān)鍵字：IBM量子計(jì)算機(jī)  量子運(yùn)算實(shí)驗(yàn)  4量子位 

 

量子運(yùn)算究極態(tài)：完美無(wú)瑕的量子位

 

接下來(lái)，IBM渴望達(dá)到量子運(yùn)算的神圣目標(biāo)——完美無(wú)瑕的量子位——可形成讓一臺(tái)真的量子計(jì)算機(jī)擴(kuò)展成任何規(guī)模的基礎(chǔ)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，IBM計(jì)劃以增加量子位(目前是以8位表面晶格)來(lái)擴(kuò)展現(xiàn)有架構(gòu)，以期提供更佳保護(hù)與校正量子位錯(cuò)誤，從而達(dá)到展開營(yíng)銷真正量子計(jì)算機(jī)所需的完善程度。

 

“這可能得在一個(gè)可擴(kuò)展的晶格中使用8、13、17或甚至49Qb，才能實(shí)現(xiàn)完美的神圣目標(biāo)；此外，該架構(gòu)可能必須改變?yōu)榫匦位蛄切位蚱渌麑?duì)稱的結(jié)構(gòu)。但我們現(xiàn)在深信這絕對(duì)是一個(gè)可實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。”

 

 

 

 

 

 

IBM的量子運(yùn)算架構(gòu)利用可擴(kuò)展的堆棧模塊，檢測(cè)并校正量子錯(cuò)誤，而且可望解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法處理的問(wèn)題。 （來(lái)源：IBM Research）
 

 

一旦完善化量子計(jì)算機(jī)，不僅能夠破解當(dāng)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(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法仿真的實(shí)體過(guò)程。例如，可讓普通流程運(yùn)作的所有分子互動(dòng)，有助于設(shè)計(jì)者創(chuàng)造出當(dāng)今無(wú)法想象的材料，從非結(jié)構(gòu)性的巨量數(shù)據(jù)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(fù)試驗(yàn)才能發(fā)現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)。

 

Jerry Chow強(qiáng)調(diào)，“量子計(jì)算機(jī)將在各個(gè)產(chǎn)業(yè)催生一個(gè)創(chuàng)新節(jié)新時(shí)代。”

 

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