IBM今天启动了 2022 年 IBM 量子峰会，宣布了量子硬件和软件方面的新进展，并概述了其对以量子为中心的超级计算的开创性愿景。一年一度的 IBM 量子峰会展示了该公司由客户、合作伙伴和开发人员组成的广泛的量子生态系统，以及他们在为世界带来有用的量子计算方面的持续进展。
“IBM Osprey”——IBM 新的 433 量子比特处理器
2021 年，IBM 推出了首款拥有 100 多个量子比特的量子处理器 Eagle。现在，该公司推出了 Osprey，IBM Osprey 拥有所有 IBM 量子处理器中最大的量子比特数，是 2021 年推出的 IBM Eagle 处理器的 127 个量子比特的三倍多。该公司表示，IBM 在短短一年内将芯片上的量子比特数量增加三倍的进展表明，IBM 有望在 2023 年交付世界上第一台拥有超过 1,000 个量子比特的通用量子计算机 Condor。
量子计算机理论上可以找到经典计算机需要花费数年才能解决的问题的答案。量子计算机中被称为量子比特的组件越多，它以指数方式执行的计算就越多。IBM 的量子计算机的量子比特数随着时间的推移稳步增长。2016 年，该公司将第一台量子计算机放在云上供任何人进行实验——这是一个具有 5 个量子位的设备，每个超导电路冷却到大约 20 毫开尔文（-273 摄氏度）的接近绝对零的温度。2019 年，该公司推出了 27 量子比特的猎鹰；2020 年，65 量子比特的蜂鸟；2021 年，127 量子比特的 Eagle。
明年，IBM 的目标是推出其 1,121 量子位的 Condor 处理器，该处理器有望成为世界上最大的通用量子处理器。新的 Osprey 芯片于 11 月 9 日在 IBM 的量子计算峰会上亮相，揭示了该公司为实现这一雄心勃勃的目标而采取的关键步骤。
从 Eagle 开始并延续到 Osprey 的策略是将读出和控制所需的电线和其他组件分离到它们自己的层上。这种多级布线有助于保护脆弱的量子比特免受破坏，帮助处理器整合更多数量的量子比特。
IBM Quantum 的首席硬件架构师Oliver Dial说：“我们可能不需要所有的技术来部署 100 量子比特的设备，但这些技术都有助于建立Osprey和Condor。” “我们现在拥有超越 100 个量子比特的技术。”
Dial 指出，在芯片之外，Osprey 与 Eagle 相比具有两大优势。一个是用柔性带状电缆取代IBM在其之前的量子处理器中使用的微波电缆的“量子吊灯”，如果你打开手机或笔记本电脑，你可能会发现这种电缆可以在主板和屏幕之间传输信号。
“所有这些用于在存储量子比特的冰箱中进出微波信号的微波电缆都不是很可扩展。”Dial 说。
Osprey 的柔性带状电缆适用于低温环境。电缆的电阻和热阻经过专门设计，可帮助微波信号流动，同时不会传导过多可能干扰量子位的热量。Dial 说，这导致通往芯片的连接数量增加了 77%——“基本上，电线数量几乎是原来的两倍”——这将有助于 IBM 扩大其量子计算机的规模。
Osprey 的另一个主要优势是新一代的控制电子设备，可以向量子处理器发送和接收微波信号。尽管 Dial 表示 IBM 的第一阶段控制电子设备享有更大的灵活性，但 Osprey 的控制电子设备“更专业，更适合量子设备，以产生我们需要的精确信号、我们需要的频率、我们需要的功率需要，”拨号说。
Osprey 的新控制电子设备包括一个低温 CMOS 控制器芯片，该芯片使用14 纳米 FinFET 技术实现，运行温度约为 4 开尔文（-269.15 摄氏度）。它采用了专用集成电路 ( ASIC ) 设计，与以前的现场可编程门阵列 (FPGA) 方法相比，体积和功耗更小。“不像我们以前需要的每量子比特大约 100 瓦，我们只需要大约 10 毫瓦，因此我们可以在芯片上安装更多的量子比特，”Dial 说。
此外，电信和国防工业在微波信号生成和接收方面的最新进展“意味着直接数字合成终于可以负担得起，”Dial 说。“您现在可以直接以 5 GHz 生成信号，而不是生成几百兆赫兹的信号并混合到 5 GHz，这减少了组件的数量并增加了简单性。”
这些硬件改进以及其他因素（例如处理量子计算工作负载的更好方法和更快的设备驱动程序）已导致速度大幅提升。Dial 说，基于被称为每秒电路层操作 ( CLOPS ) 的 IBM 量子计算速度指标，该公司的最佳系统已从 1,400 CLOPS 增加到 15,000 CLOPS。（量子程序员在由量子电路组成的量子计算机上运行量子算法，量子电路描述了应用于一组量子比特的基本操作序列，称为量子门。CLOPS 是衡量量子计算机运行速度的指标量子电路。）
“我们使用的每一项改进都会导致速度略有提高，但是一旦我们消除了所有这些瓶颈，我们就会看到速度有了很大的提高，”Dial 说。
在 Osprey 被广泛使用之前，IBM 正在花费额外的时间来设置其控制电子设备和校准系统。“我们计划 Osprey 在明年年中上云，”Dial 说。
新的量子软件解决纠错和缓解问题
IBM 还准备在其量子计算机的云软件中包含可选的错误缓解技术，这些技术基本上可以用速度换取更准确的结果。“我们没有将复杂性推给用户，而是在后端构建这些功能来处理这些细节，”Dial 说。“到 2024 年底，我们预计通过在我们的‘100 x 100 计划’中并行运行多个Heron 芯片来缓解错误，可以实现 100 量子比特宽、100 门深的系统，从而实现超越经典计算机的能力。”
IBM还宣布，它正在与通信技术公司沃达丰(Vodafone)合作开发后量子密码学，可以抵御未来可能迅速突破现代密码学的量子计算机。戴尔说:“我们正在研究加密敏捷性，即在加密方案之间切换的能力，以认识到加密技术是如何不断变化和进步的。”
IBM Quantum System 2 更新——IBM 的下一代量子系统
随着 IBM Quantum 系统向 2025 年及以后的 4,000 多个量子比特的既定目标扩展，它们将超越现有物理电子设备的当前能力。IBM 更新了新的 IBM Quantum System 2 的详细信息，该系统设计为模块化和灵活的，将多个处理器组合成具有通信链路的单个系统。该系统的目标是到 2023 年底上线，并将成为以量子为中心的超级计算的构建块——量子计算的下一波浪潮，通过采用模块化架构和量子通信来增加其计算能力，并采用混合云中间件无缝集成量子和经典工作流程。
新的 IBM Quantum Safe 技术： 随着量子计算机变得越来越强大，技术提供商必须采取措施保护他们的系统和数据免受未来潜在的能够解密当今安全标准的量子计算机的影响。从为 z16 系统提供量子安全技术，到提供与美国国家标准与技术研究院 (NIST) 到 2024 年实现标准化的目标相关的算法，IBM 提供具有这些安全功能的技术和服务。在峰会上，IBM 和沃达丰宣布合作探索如何在沃达丰的技术基础设施中应用 IBM 的量子安全密码学。
客户和生态系统扩展：IBM Quantum Network 的发展：IBM 今天还宣布，德国企业集团 Bosch 已加入 IBM Quantum Network，以探索各种量子用例。该网络最近新增的其他成员包括 探索量子计算和量子安全密码学 的跨国电信公司沃达丰、法国银行Crédit Mutuel Alliance Fédérale探索金融服务领域的用例，瑞士创新园区 uptownBasel 促进技能发展，促进量子和高性能计算技术的领先创新项目。这些组织正在加入 200 多个组织（以及超过 450,000 名用户）的行列，可以访问世界上最大的由 20 多台量子计算机组成的云计算机群。
“ 随着我们沿着量子路线图前进，2022 年 IBM 量子峰会标志着全球量子计算领域发展的关键时刻。随着我们继续扩大量子系统的规模并使其更易于使用，我们将继续看到量子行业的采用和增长，” IBM 研究员兼 IBM Quantum 副总裁Jay Gambetta说。“我们的突破定义了量子的下一波浪潮，我们称之为以量子为中心的超级计算，其中模块化、通信和中间件将有助于增强扩展计算能力，以及量子和经典工作流程的集成。”
参考链接：
https://spectrum.ieee.org/ibm-quantum-computer-osprey
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