IBM说这4块“方砖”才是量子运算的未来

从计算机到服务器到超级计算器再到量子计算机，基础运算构架和原型电路基本上由IBM早期主导完成。 全世界各地的主要实验室不断针对量子运算进行深入研究，甚至包括新进该领域的Google。然而，IBM宣称，从该公司在量子运算研究长达30年的经验来看，显示Goole在其“线性”设计方面的构想并不正确，因为IBM所采用的“方砖”(square tiled)设计能够解决在量子运算方面最重要的错误校正问题，而且能够因应未来的需求调整至任意规模。 IBM从1981年开始寻找合适的量子运算架构，当时该公司出席了诺贝尔奖得主理察．费曼(Richard Feynman)首次的“信息实体”(physics of information)专题讨论，Richard Feynman在讨论中提出了量子运算的概念。 34年干了一件：量子运算架构实验 在接下来的34年，IBM持续发展费曼的理论，发明了自家的量子运算架构，并进行各种实验，如今已能让组件可靠地扩展到任意数量的量子位(qubit；Qb)——无限地延伸摩尔定律——因为它只需要50Qb，就能超越Top500.org超级计算机排行榜上最快速的超级计算机。 “我们目前正发布一款4Qb的系统，并针对8Qb的系统展开实验，”IBM Research Center实验量子运算部门经理Jerry Chow表示，“但与其他设计不同的是，我们已经解决了一连串的问题，使其得以扩展到使用任何量子位数的超级计算机。” 目前的原型(下图)在市售的超级冰箱中被冷却至15 mK(开氏温标)，目前已经解决在量子运算中两个最重要的问题。根据IBM表示，这是指同时校正位翻转与相位翻转的错误，以及可完全扩展至任何尺寸。

IBM的4个超导量子位元首次利用正方形晶格检测两种量子错误 ，包括位误差和相位误差。（来源：IBM Research）
“在针对量子运算进行研究节道路上，校正错误是最重要的问题，因为量子位并不像一般计算机位那样强劲稳定，”Jerry Chow表示，“量子位十分脆弱，并且可能因为环境与系统中的各种噪声而受损。” 在量子计算机中有两种重要的错误必须加以校正——位错误(从1到0或从0到1翻转错误)以及相位翻转误差(这可能导致讯号在彼此间相减而非相加) 。遗憾的是，要一次解决这两种错误是非常困难的。为了解决这个问题，IBM表示必须采用方形架构，才能同时解决两个问题或其中一个问题，而Google采用线性数组架构则存在限制。其结果是，IBM的4Qb方形数组带来了4倍冗余，但也实现了可无误差扩展的量子计算机。

IBM的优化方砖布局，可增加更多量子位以及扩展至更大的系统。（来源：IBM Research）
“量子计算机需要近乎完美的量子位，才能进行有意义的运算，所以必须要利用一些量子位来进行错误校正，”Jerry Chow表示，“事实上，我们目前正在打造8Qb的架构，为单一量子位校正其他可能的错误。同时，我们认为大约需要13-17Qb或更多的量子位数，才能使单一量子位完全可靠。” 原因在于量子位不只是像一般位一样拥有一个0或1，而是能够迭加数值，“他们是一部份的0与部份1，而这也就是为什么在量小计算期间难以完整保留之故，”Jerry Chow说。 在目前的4Qb架构中，其中有2Qb的值可加以保存，而其他的2Qb则可分别用于告诉你是否存在任何位翻转或相位翻转错误。

IBM的Jerry Chow在IBM华生研究中心的量子运算实验室中检测量子位。（来源：IBM Research）
本文授权编译自EE Times，版权所有，谢绝转载 本文下一页：量子运算究极态：完美无瑕的量子位 {pagination} 量子运算究极态：完美无瑕的量子位 接下来，IBM渴望达到量子运算的神圣目标——完美无瑕的量子位——可形成让一台真的量子计算机扩展成任何规模的基础。为了实现这个目标，IBM计划以增加量子位(目前是以8位表面晶格)来扩展现有架构，以期提供更佳保护与校正量子位错误，从而达到展开营销真正量子计算机所需的完善程度。 “这可能得在一个可扩展的晶格中使用8、13、17或甚至49Qb，才能实现完美的神圣目标；此外，该架构可能必须改变为矩形或六角形或其他对称的结构。但我们现在深信这绝对是一个可实现的目标。”

IBM的量子运算架构利用可扩展的堆栈模块，检测并校正量子错误，而且可望解决传统计算机无法处理的问题。 （来源：IBM Research）
一旦完善化量子计算机，不仅能够破解当今任何加密的代码，制作出无法破解的新代码，同时还能让研究人员们了解传统计算机无法仿真的实体过程。例如，可让普通流程运作的所有分子互动，有助于设计者创造出当今无法想象的材料，从非结构性的巨量数据实时归纳出有意义的看法，以及真正理解目前只能透过反复试验才能发现的化学反应。 Jerry Chow强调，“量子计算机将在各个产业催生一个创新节新时代。” IBM的研究工作一部份来自美国情报先进计划研究署(IARPA)多量子位相干—操作计划的赞助。 本文授权编译自EE Times，版权所有，谢绝转载