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來(lái)源: 澎湃新聞 ·以量子為核心的超級計算機有著(zhù)廣闊的應用前景：可以利用強大的量子計算能力來(lái)揭示化學(xué)反應和分子過(guò)程動(dòng)力學(xué)的新奧秘；幫助研究人員通過(guò)模擬更優(yōu)的碳捕獲方案來(lái)應對氣候變化的挑戰；發(fā)現制造更清潔、更可持續的電動(dòng)汽車(chē)電池和電網(wǎng)所需的材料；發(fā)現更高效、更節能的肥料制造方法等。 當地時(shí)間5月22日，在日本廣島舉行的G7峰會(huì )上，美國科技公司、量子計算行業(yè)的“藍色巨人”IBM宣布了一項為期10年、耗資1億美元的計劃——該公司將與東京大學(xué)和芝加哥大學(xué)合作建造由10萬(wàn)個(gè)量子比特（量子信息處理的基本單位）驅動(dòng)的量子計算機。如果該計劃實(shí)現，將能夠解決一系列世界上迫切需要解決的問(wèn)題，例如找出新藥物、探索暗物質(zhì)、破譯密碼等，迎來(lái)以量子為中心的超級計算機時(shí)代。 近日，美國《麻省理工學(xué)院技術(shù)評論》根據對IBM量子業(yè)務(wù)副總裁杰·甘貝塔（Jay Gambetta）的采訪(fǎng)，詳細介紹了這項新計劃的內容。 
IBM的10萬(wàn)個(gè)量子比特驅動(dòng)的量子計算機概念渲染圖，預計將于2033年部署。 “以量子為中心的超級計算機” 一直以來(lái)，超級計算機都是全球多國重點(diǎn)研發(fā)和建設的對象，如美國的“深藍”“沃森（Waston）”和“Frontier”，日本的“富岳”，芬蘭的“LUMI”，還有中國的“曙光”“天河一號”“天河二號”和“神威·太湖之光”等，都是知名的超級計算機。 然而，傳統超級計算機不能解決一些經(jīng)典計算無(wú)法處理的復雜問(wèn)題，這就是量子計算的優(yōu)勢所在——量子計算利用基本粒子的獨特特性來(lái)儲存和處理信息：微觀(guān)粒子可以同時(shí)以多種能量狀態(tài)存在，這種現象被稱(chēng)為疊加，粒子的狀態(tài)可以相互聯(lián)系或糾纏。這意味著(zhù)信息可以以全新的方式進(jìn)行編碼和操縱，為許多經(jīng)典計算架構下不可能完成的計算任務(wù)打開(kāi)了大門(mén)。 以量子為核心的超級計算機有著(zhù)廣闊的應用前景：可以利用強大的量子計算能力來(lái)揭示化學(xué)反應和分子過(guò)程動(dòng)力學(xué)的新奧秘；幫助研究人員通過(guò)模擬更優(yōu)的碳捕獲方案來(lái)應對氣候變化的挑戰；發(fā)現制造更清潔、更可持續的電動(dòng)汽車(chē)電池和電網(wǎng)所需的材料；發(fā)現更高效、更節能的肥料制造方法等。 而10萬(wàn)量子比特的系統，將幫助解決世界上一些最緊迫的問(wèn)題，即使是當今最先進(jìn)的超級計算機也可能永遠無(wú)法解決或單獨解決這些問(wèn)題。 2022年底，IBM發(fā)布了包含433個(gè)量子比特的“魚(yú)鷹”（Osprey）處理器，創(chuàng )下了最大量子計算系統的紀錄。這一成果為未來(lái)更大規模的量子計算機的研發(fā)奠定了基礎。 IBM的愿景是，10萬(wàn)量子比特的量子計算機與最好的經(jīng)典超級計算機一起工作，在藥物發(fā)現、肥料生產(chǎn)、電池性能和許多其他應用方面實(shí)現新的突破�！拔覀兎Q(chēng)它為以量子為中心的超級計算機�！盜BM量子業(yè)務(wù)副總裁甘貝塔在采訪(fǎng)中說(shuō)，“為了實(shí)現這一目標，我們已經(jīng)把目光投向了一個(gè)關(guān)鍵的里程碑：到2033年實(shí)現10萬(wàn)（量子）比特的系統�！� 會(huì )上，IBM表示將推出該系統架構的3個(gè)基石：一是新的133量子比特IBM Heron處理器，具有新的兩量子比特門(mén)（Binary Gate）以實(shí)現更高的性能，還將與未來(lái)的擴展兼容，使模塊化連接的處理器能夠擴展計算機的規模。二是推出IBM Quantum System Two，這是一個(gè)模塊化和靈活的旗艦系統，目標是在2023年底之前上線(xiàn)。第三是引入量子中間件，這是一組在經(jīng)典處理器和量子處理器上運行工作負載的工具，包括用于分解、并行執行和重構工作負載的工具，以實(shí)現大規模的高效解決方案。 需要更多的“量子計算科學(xué)家” 到目前為止，量子計算機還沒(méi)有實(shí)現傳統超級計算機無(wú)法做到的有用操作，主要是因為這些量子計算機沒(méi)有足夠的量子比特，而且系統很容易被環(huán)境中的微小擾動(dòng)破壞，物理學(xué)家稱(chēng)之為噪聲。盡管研究人員一直在探索如何處理噪聲，但大多數人預計，量子系統必須大幅擴展才能將大部分量子比特用于校正噪聲引起的誤差，并在校正后支撐有用的計算。 另外，量子比特的擴展還面臨著(zhù)其他問(wèn)題。目前，IBM的每個(gè)超導量子比特的運行功率大約是65瓦�！叭绻蚁胱鲆慌_擁有10萬(wàn)量子比特的計算機，那就需要非常多的能源：這相當于要用一個(gè)建筑物大小的空間、一個(gè)核電站和十億美元來(lái)造一臺機器�！备守愃f(shuō)，“從5000量子比特擴展到10萬(wàn)量子比特，顯然需要技術(shù)創(chuàng )新�！� 目前，IBM已經(jīng)進(jìn)行了原理驗證實(shí)驗，表明基于“互補金屬氧化物半導體”（CMOS）技術(shù)的集成電路可以安裝在冷量子位旁邊，只需幾十毫瓦即可控制它們。 然而，甘貝塔承認，以量子為中心的超級計算所需的技術(shù)尚未實(shí)現，這就是為什么學(xué)術(shù)研究是該項目重要組成部分的原因。 兩所大學(xué)在技術(shù)創(chuàng )新方面的貢獻必不可少。甘貝塔說(shuō)，東京和芝加哥的研究人員已經(jīng)在組件和通信創(chuàng )新等領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展，這些領(lǐng)域可能是最終產(chǎn)品的重要組成部分。他認為，未來(lái)十年可能會(huì )有更多的產(chǎn)學(xué)合作�！拔覀儽仨殠椭髮W(xué)做他們最擅長(cháng)的事情�！彼f(shuō)。 甘貝塔在采訪(fǎng)中強調，這個(gè)行業(yè)還需要更多的“量子計算科學(xué)家”，對于創(chuàng )造機器的物理學(xué)家和希望設計并實(shí)現有用算法的開(kāi)發(fā)人員之間的分歧，這些“量子計算科學(xué)家”可以起到彌合他們的作用。 除了硬件上的創(chuàng )新，在量子機器上運行的軟件也至關(guān)重要。甘貝塔表示，“我們希望盡快建立起這個(gè)行業(yè)，最好的方法是讓人們開(kāi)發(fā)與我們的經(jīng)典軟件庫類(lèi)似的軟件�！� 他表示，這就是為什么IBM在過(guò)去幾年里一直致力于向學(xué)術(shù)研究人員提供其系統：IBM的量子處理器可以通過(guò)云服務(wù)使用定制的接口來(lái)工作。他說(shuō)，已經(jīng)有大約2000篇關(guān)于使用該公司量子設備進(jìn)行實(shí)驗的研究論文：“對我來(lái)說(shuō)，這個(gè)跡象表明創(chuàng )新正在發(fā)生�！� 難度很大 IBM表示，他們不能保證為該項目指定的1億美元足以實(shí)現10萬(wàn)量子比特的目標，“實(shí)現這一目標肯定有風(fēng)險�！备守愃f(shuō)。 新加坡量子軟件開(kāi)發(fā)商Horizon Quantum的首席執行官喬·菲茨西蒙斯（Joe Fitzsimons）對此表示贊同�！斑@可能不是一段一帆風(fēng)順的旅程�！彼硎�。 “但這是一個(gè)必須承擔的風(fēng)險�！狈拼奈髅伤寡a充道，行業(yè)必須面對失敗的恐懼，并嘗試克服大規模量子計算所面臨的技術(shù)挑戰。他認為，盡管存在許多潛在的障礙，但IBM的計劃是合理的�！霸谶@種規模下，控制系統將是一個(gè)限制因素，需要大幅發(fā)展，以合理有效的方式支持如此大量的量子比特�！彼f(shuō)。 事實(shí)上，IBM并不是第一個(gè)有如此雄心的公司。此前，谷歌曾表示，其目標是在21世紀末實(shí)現100萬(wàn)個(gè)量子比特，盡管除開(kāi)糾錯以外只有1萬(wàn)個(gè)量子比特可用于計算；總部位于美國馬里蘭州的IonQ計劃在2028年前實(shí)現1024個(gè)“邏輯量子比特”的運算，每個(gè)邏輯量子比特將包括13個(gè)物理量子比特組成的糾錯電路；與谷歌一樣，總部位于美國帕洛阿爾托（Palo Alto）的PsiQuantum也計劃建造一臺百萬(wàn)量子比特的量子計算機。 另一種觀(guān)點(diǎn)是，高調宣傳物理量子比特的數量有點(diǎn)轉移注意力的意味——構建量子比特的技術(shù)細節至關(guān)重要，這些細節會(huì )影響量子比特對噪聲的彈性和操作易用性等因素。相關(guān)公司通常會(huì )提供額外的性能指標，如“量子體積”和“算法量子比特”的數字。在未來(lái)十年，糾錯、量子比特性能和軟件主導的錯誤“緩解”方面的進(jìn)步，以及不同類(lèi)型量子比特之間的主要區別，將使這場(chǎng)競賽變得逐漸白熱化。 |
