美国量子计算重大突破 人类又迎来巨变的前夜?

美国量子计算机可能已取得革命性的重大突破，IBM公司昨天（12月4日）正式推出了第三代量子芯片Heron，以及基于Heron的IBM量子系统2（IBM Quantum System Two），这是世界上第一台模块化的实用量子计算机。

在美国哥伦比亚广播公司的60分钟专题节目中，IBM高级副总裁兼研究总监达里奥·吉尔宣称：此时时刻，我们感觉就像是上世纪四五十年代，先驱者们正在建造第一台电子计算机。主持人斯科特·佩利则称，希望我们今天能解释得更清楚，这样您就不会因可能改变人类文明的突破而措手不及了。

简单来说，在昨天召开的IBM量子峰会上，IBM发布了两款量子芯片、一台量子计算机、一个量子编程软件、自动量子编程的AI模型以及未来10年的量子计算机发展路线图，人类文明可能已再次处于大突破的巨变前夜。

IBM Condor量子芯片（1121量子比特）Condor（秃鹰）是一款基于交叉谐振门技术的1121量子比特超导量子芯片，这是世界上第一个超过1000量子比特的量子处理器。此前IBM已发布了Eagle（鹫，127量子比特）、Osprey（鱼鹰，433量子比特）两种量子芯片，Condor将量子位密度提高了 50%，但性能和之前的433量子位Osprey相当。这意味着在相同的面积内，可以容纳更多的量子位，对于提高量子计算机的性能和可扩展性具有重要意义。

Conder单个稀释制冷器内包含了超过一英里的高密度低温柔性IO布线，突破了芯片设计的规模和产量极限，是一个里程碑式的创新，解决了规模问题并为未来的硬件设计提供了信息。

IBM Quantum Heron量子芯片（133量子比特）Heron（鹭）是IBM最新的第三代量子芯片，是迄今为止IBM性能指标最高的量子芯片，是IBM未来量子计算机的基石。有人可能觉得，量子比特数反而减少了，怎么还性能最高，还是基石呢？

Heron是IBM新一代架构的处理器，具有133个固定频率量子位和可调谐耦合器，与之前127量子比特的Eagle相比，性能提高了3-5 倍，错误率减少了5倍，几乎完全消除了串扰。串扰是指一个量子位的状态被其他量子位干扰，会对量子计算的准确性产生负面影响。Heron芯片几乎消除了这种串扰，这意味着它在执行量子计算时，准确性和可靠性更高。

并且通过Heron，IBM还开发了一种新的量子位和量子门技术，所谓量子门技术，就是量子位的操控技术，这是IBM未来硬件路线图的基础。

Heron处理器的架构意味着多个量子芯片可以互相连接起来，构建模块化的量子计算机，也就是说IBM可以通过简单地增加芯片数量来扩大量子计算机的规模，这是Heron量子处理器最大、最关键的突破。

IBM Quantum System Two（IBM量子系统2）IBM量子系统2配备了3个Heron量子芯片，位于纽约州约克敦高地的实验室，宽6.7米，高4.6米，每个六边形的单元重达9吨。Heron芯片和笔记本电脑芯片差不多大，为什么量子计算机的规模和重量却如此之大呢？

这些体积和重量绝大部分是冷却系统带来的，IBM和谷歌的量子计算机都采用约瑟夫森结作为超导量子比特，需要稀释制冷机提供的超冷超流体来冷却到15mk以下，并且完全在真空环境中运行，这样才能保证超导体的量子力学效应。而稀释制冷机需要氦-3来冷却，氦-3又是核研究和核计划的副产品，通常被政府严控且非常昂贵。不过我看到2021年新华社的报道说，中科院物理所已研制成功无液氦稀释制冷机，可以实现10mk以下的极低温。

约瑟夫森结像一个三明治，由两个超导体中间夹一个绝缘层构成，低温下电子通过超导体时，会配对形成库珀对，从而可以量子隧穿通过绝缘层。通过向约瑟夫森结发射微波光子，就能操控它们并保存、更改和读出单个量子比特的信息。制造约瑟夫森结的超导电缆需要专门设计，传热极少，以避免破坏制冷机内量子比特的微妙量子态，维基百科称这种超导电缆只有日本公司Coax能制造，非常难以获得。

IBM这次发布的重头戏就是IBM量子系统2，这是一种适用于公用事业规模工作的模块化量子计算架构，可以利用并行性、并发量子、经典计算及动态电路执行，以实现量子为中心的超级计算。IBM量子系统2最大的突破就是它六边形的模块化设计，便于扩展到多个量子处理器的连接，从而形成更大的量子计算机，对于实现大规模量子计算具有重要意义，并且支持未来所有的IBM量子芯片。

Qiskit 1.0发布Qiskit是世界上使用最广泛的开源量子编程软件，Qiskit 1.0发布了许多新功能，可以帮助计算科学家轻松、快速地构建和运行量子算法，包括新的量子电路模拟器、新的量子电路编辑器和新的量子电路执行器，有助于推动量子计算的应用和普及。

生成式AI自动编码IBM还展示了一种生成式AI模型，可利用 WatsonX 人工智能平台来生成量子代码，可用于自动进行量子代码开发并优化量子电路，有助于提高量子计算的效率和自动化水平。

IBM未来十年量子开发路线图在这次峰会上，IBM还发布了未来十年的量子开发路线图。未来将优先考虑门操作的改进，以提高质量实现先进的纠错系统，而不是让量子比特数更多。IBM希望让Heron从2024年达到5000个门操作开始，到2029年实现1亿个的突破，2033年突破10亿个。

纠错系统是量子计算系统的关键组成部分，这是因为量子比特的量子态极为脆弱，周围环境的任何微小改变，包括系统的晶格振动和背景热核自旋，都可能导致量子态被破坏，这就叫退相干，所以整个系统需要冷却到20mk之内。但即使这样，量子态的相干时间也只能维持在纳秒到秒之间，从而导致错误的增加和累积，这就需要进行量子纠错才能进行实用的量子计算。

IBM正在开发各种软件硬件来实现纠错，Heron性能的提升，得益于一种叫量子低密度奇偶校验（qLDPC）的新的纠错策略，也就是用多个物理量子比特来代表一个量子信息比特，这个称为逻辑量子位，可以在400个左右物理量子比特中容纳一些经过qLDPC校正的量子比特，然后把这些芯片连接在一起，从而大幅减少错误率。

所以看看，世界上第一台电子计算机占地170平方米，重达30吨，IBM量子系统2也是占地数十平方米，重达9吨，所以IBM说像是回到上世纪四五十年代，正在建造第一台电子计算机还真的很形象。

数十年前，电子计算机彻底改变了人类文明，今天量子计算机也可能再次改变人类文明，再加上人工智能、星舰，所以我们现在可能真的正处于文明巨变的前夜。

只是电子计算机从楼房大小到可以放到桌面上用了几十年，量子计算机可能用不了那么久。在哥伦比亚广播公司的节目中，主持人佩利问谷歌工程副总裁、量子人工智能实验室负责人哈特穆特·内文，人类什么时候能制造一个真正的量子计算机系统，内文说在这个10年结束的时候，也就是2030年前。IBM副总裁达里奥·吉尔也称对5年内实现这个目标充满信心。

另外，我国的启科量子今年发布了“天算1号”模块化离子阱量子计算工程机，玻色量子发布了100个链子比特的“天工量子大脑” 光量子计算机，而中科大10月发布的255个量子比特“九章三号”光量子计算机，已达成了量子计算研究的第一个里程碑：量子霸权。不过这些都和IBM、谷歌的超导量子位路线有所不同，中国走超导量子路线的是中科院旗下的本源量子，今年1月已交付第一台24量子比特超导量子计算机，年底前预计会发布新型号，2025年达到1024量子比特。

究竟哪条路能最终取得成功，还有待时间最后的检验。