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IBM推出全球首个127量子比特处理器,规模超越谷歌/中科大

11月18日消息,IBM在量子峰会2021上正式宣布推出代号为“Eagle”(鹰)的127量子比特处理器,这也是目前全球量子比特数最多,并且是首款突破“100位大关”的量子计算处理器。其规模甚至超越了谷歌的量子计算原型机“悬铃木“和我国“祖冲之号”。

在对IBM的127量子比特处理器进行更多详细介绍之前,首先要了解一个概念,何谓“量子计算”?举个例子,在1969 年,人类克服了万难,首次登月,创造历史。但时至今日,人类却依旧无法自如地用计算机精确捕捉浩渺宇宙中最为精细的部分。

IBM也曾表示,“如果把思维局限于我们所知道的计算世界中,建造一个能真正捕捉原子运动的装置,用以解决我们这个时代最具挑战性的问题,几乎是天方夜谭。”但也正如登月一般,研究人员都有一个宏大目标,那就是造出一台能够超越传统计算机的大型量子计算机。

从本质上讲,所谓“量子计算”就是将量子力学和计算理论结合,充分利用量子的叠加、纠缠、干涉等特性,展现出强大的计算能力。而研制量子计算机,核心就是量子级计算机处理器,它能够帮助量子计算机进行高速运算、处理量子信息。

规模超越谷歌“悬铃木“和我国“祖冲之号”

IBM这次推出的“鹰”处理器,包含127个可操作和连接的量子位。这是什么概念呢,也就是说“Eagle”处理器上代表一个状态所需的经典位元数量,比现在全球75多亿的人口数量还要多。

相比之下,美国谷歌公司在2019年9月推出了53个量子比特的量子计算原型机“悬铃木”,花了200秒对一个量子线路取样一百万次,而利用当时世界排名第一的超级计算机“Summit”完成同样的任务则需要一万年。

在今年5月,中国科学技术大学的潘建伟团队宣布研制出了新的量子计算机“祖冲之号”,作为我国研制的62量子比特的可编程超导量子计算原型机,“祖冲之号”是目前在国际上超导量子比特数量最多的量子计算原型机。据媒体报道,世界最强的超级计算机8年才能完成的任务,用 “祖冲之号”量子计算机最短1.2个小时就能实现,再次刷新纪录。

实际上,早在2019年,IBM就推出了27量子比特的“猎鹰”处理器,随后又在2020年推出了65 量子比特“蜂鸟”处理器。此次全新推出的127量子比特“鹰”处理器,通过减少非必要组件数量的架构,利用的新技术将控制布线放置在处理器内的多个物理层上,同时将量子位保持在单个层上,从而显着增加了量子位。

新增加的量子比特数,能够给用户在进行实验和运行应用程序时能够以更高的复杂度探索问题,例如优化机器学习或为新分子和材料建模,以用于从能源行业到药物发现过程的各个领域。

根据IBM高级副总裁兼研究总监Darío Gil博士的介绍:“‘鹰’处理器的到来是朝着量子计算机在有用应用方面超越经典计算机的那一天迈出的重要一步。量子计算有能力改变几乎所有领域并帮助我们解决我们这个时代最大的问题。这就是为什么 IBM 继续快速创新量子硬件和软件设计,为量子和经典工作负载构建方法以相互赋能,并创造一个对量子产业发展至关重要的全球生态系统。”

突破100量子位处理器壁垒,技术难点在哪?

首先,“量子计算”在亚原子水平上利用了物质的基本量子性质,为大幅提高计算能力提供了可能性。但有一点不得不说的是,量子计算的基本计算单元是量子电路,将量子位排列成量子门和测量,如果量子处理器拥有的量子位越多,它可以运行的量子电路就越复杂、越有价值。

随着量子处理器的规模扩大,每增加一个量子位,空间复杂度(执行算法所需的内存空间量)就会加倍,从而使经典计算机能够可靠地模拟量子电路,而空间复杂度加倍带来的好处就是让人们进入超越经典计算机能力的领域。

早在去年,IBM向外界展示其量子计算技术路线图显示,要在今年推出127位IBM量子处理器,如今也是实现了当初的诺言。接下来,IBM还计划在2022年推出433位IBM量子处理器,2023年推出1121位IBM量子处理器,还豪言要在未来推出超过一百万位的处理器。

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(IBM公布的量子计算技术路线图)

量子计算革新,但能落地的玩家寥寥无几

很早之前,网上就流行这么一句话“遇事不决,量子力学”,作为一句科幻常用梗,意指遇到难以处理的问题时,靠科学的力量(深奥神秘让人看不懂,但感觉很厉害的样子)强行大开脑洞。由于量子力学相关理论不是大众百姓了解的,所以更多的是成为故事创作中的一种流行元素,在一些解释不通的地方尤其好用,观众见多了便以此来调侃。

但从科技发展的角度来看,把量子力学和计算机结合起来的可能性,是在1982年由美国著名物理学家理查德·费因曼首次发现的。不久之后,英国牛津大学的物理学家戴维·多伊奇,于1985年初步阐述了量子计算机的概念,并指出,量子并行处理技术会大大提高传统计算机的功能。

量子计算机最根本的优势在于,它是利用比分子更小的原子,作为最基本的数据单位来进行运算。在密码学、航空航天、数据分析等领域,量子计算起到了至关重要的作用。

以密码学为例,量子计算最常见的领域是高级密码学。人们今天用的普通计算机使破解时用非常大的素数分解(300+整数)的加密变得不可行。用量子计算机,这种解密可能变得微不足道,从而对我们的数字生活和资产产生更强有力的保护。当然也可以更快地打破传统加密;在数据分析方面,量子力学和量子计算可以帮助解决拓扑分析研究领域的问题,比如将其中几何形状以特定的方式表现出来,解决在今天的传统计算机中根本不可能进行的计算。

虽然分子、光子和量子计算机的研究才刚刚起步,未来到底能带来什么样的功能也并不清楚,但科学家们却都充满信心,各国政府也非常支持他们的科研工作。在全球大型科技公司中,包括谷歌,IBM,微软在内的公司已经开始投入开发量子计算,国内也有清华、中科大以及阿里巴巴、华为等科研实力强劲的单位,但有一点可以知晓,搞量子计算研发少不了高额研发投入,大企业投入甚至高达数亿美元。总而言之,目前全球美国、英国、中国等国家,都先后开展了有关量子计算机的基础研究,也期待这项研究能早日普及落地,给人们生活带来更多的效益。

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