·以量子为核心的超级计算机有着广阔的应用前景：可以利用强大的量子计算能力来揭示化学反应和分子过程动力学的新奥秘；帮助研究人员通过模拟更优的碳捕获方案来应对气候变化的挑战；发现制造更清洁、更可持续的电动汽车电池和电网所需的材料；发现更高效、更节能的肥料制造方法等。

(资料图)

当地时间5月22日，在日本广岛举行的G7峰会上，美国科技公司、量子计算行业的“蓝色巨人”IBM宣布了一项为期10年、耗资1亿美元的计划——该公司将与东京大学和芝加哥大学合作建造由10万个量子比特（量子信息处理的基本单位）驱动的量子计算机。如果该计划实现，将能够解决一系列世界上迫切需要解决的问题，例如找出新药物、探索暗物质、破译密码等，迎来以量子为中心的超级计算机时代。

近日，美国《麻省理工学院技术评论》根据对IBM量子业务副总裁杰·甘贝塔（Jay Gambetta）的采访，详细介绍了这项新计划的内容。

IBM的10万个量子比特驱动的量子计算机概念渲染图，预计将于2033年部署。

“以量子为中心的超级计算机”

一直以来，超级计算机都是全球多国重点研发和建设的对象，如美国的“深蓝”“沃森（Waston）”和“Frontier”，日本的“富岳”，芬兰的“LUMI”，还有中国的“曙光”“天河一号”“天河二号”和“神威·太湖之光”等，都是知名的超级计算机。

然而，传统超级计算机不能解决一些经典计算无法处理的复杂问题，这就是量子计算的优势所在——量子计算利用基本粒子的独特特性来储存和处理信息：微观粒子可以同时以多种能量状态存在，这种现象被称为叠加，粒子的状态可以相互联系或纠缠。这意味着信息可以以全新的方式进行编码和操纵，为许多经典计算架构下不可能完成的计算任务打开了大门。

以量子为核心的超级计算机有着广阔的应用前景：可以利用强大的量子计算能力来揭示化学反应和分子过程动力学的新奥秘；帮助研究人员通过模拟更优的碳捕获方案来应对气候变化的挑战；发现制造更清洁、更可持续的电动汽车电池和电网所需的材料；发现更高效、更节能的肥料制造方法等。

而10万量子比特的系统，将帮助解决世界上一些最紧迫的问题，即使是当今最先进的超级计算机也可能永远无法解决或单独解决这些问题。

2022年底，IBM发布了包含433个量子比特的“鱼鹰”（Osprey）处理器，创下了最大量子计算系统的纪录。这一成果为未来更大规模的量子计算机的研发奠定了基础。

IBM的愿景是，10万量子比特的量子计算机与最好的经典超级计算机一起工作，在药物发现、肥料生产、电池性能和许多其他应用方面实现新的突破。“我们称它为以量子为中心的超级计算机。”IBM量子业务副总裁甘贝塔在采访中说，“为了实现这一目标，我们已经把目光投向了一个关键的里程碑：到2033年实现10万（量子）比特的系统。”

会上，IBM表示将推出该系统架构的3个基石：一是新的133量子比特IBM Heron处理器，具有新的两量子比特门（Binary Gate）以实现更高的性能，还将与未来的扩展兼容，使模块化连接的处理器能够扩展计算机的规模。二是推出IBM Quantum System Two，这是一个模块化和灵活的旗舰系统，目标是在2023年底之前上线。第三是引入量子中间件，这是一组在经典处理器和量子处理器上运行工作负载的工具，包括用于分解、并行执行和重构工作负载的工具，以实现大规模的高效解决方案。

需要更多的“量子计算科学家”

到目前为止，量子计算机还没有实现传统超级计算机无法做到的有用操作，主要是因为这些量子计算机没有足够的量子比特，而且系统很容易被环境中的微小扰动破坏，物理学家称之为噪声。尽管研究人员一直在探索如何处理噪声，但大多数人预计，量子系统必须大幅扩展才能将大部分量子比特用于校正噪声引起的误差，并在校正后支撑有用的计算。

另外，量子比特的扩展还面临着其他问题。目前，IBM的每个超导量子比特的运行功率大约是65瓦。“如果我想做一台拥有10万量子比特的计算机，那就需要非常多的能源：这相当于要用一个建筑物大小的空间、一个核电站和十亿美元来造一台机器。”甘贝塔说，“从5000量子比特扩展到10万量子比特，显然需要技术创新。”

目前，IBM已经进行了原理验证实验，表明基于“互补金属氧化物半导体”（CMOS）技术的集成电路可以安装在冷量子位旁边，只需几十毫瓦即可控制它们。

然而，甘贝塔承认，以量子为中心的超级计算所需的技术尚未实现，这就是为什么学术研究是该项目重要组成部分的原因。

两所大学在技术创新方面的贡献必不可少。甘贝塔说，东京和芝加哥的研究人员已经在组件和通信创新等领域取得了重大进展，这些领域可能是最终产品的重要组成部分。他认为，未来十年可能会有更多的产学合作。“我们必须帮助大学做他们最擅长的事情。”他说。

甘贝塔在采访中强调，这个行业还需要更多的“量子计算科学家”，对于创造机器的物理学家和希望设计并实现有用算法的开发人员之间的分歧，这些“量子计算科学家”可以起到弥合他们的作用。

除了硬件上的创新，在量子机器上运行的软件也至关重要。甘贝塔表示，“我们希望尽快建立起这个行业，最好的方法是让人们开发与我们的经典软件库类似的软件。”

他表示，这就是为什么IBM在过去几年里一直致力于向学术研究人员提供其系统：IBM的量子处理器可以通过云服务使用定制的接口来工作。他说，已经有大约2000篇关于使用该公司量子设备进行实验的研究论文：“对我来说，这个迹象表明创新正在发生。”

难度很大

IBM表示，他们不能保证为该项目指定的1亿美元足以实现10万量子比特的目标，“实现这一目标肯定有风险。”甘贝塔说。

新加坡量子软件开发商Horizon Quantum的首席执行官乔·菲茨西蒙斯（Joe Fitzsimons）对此表示赞同。“这可能不是一段一帆风顺的旅程。”他表示。

“但这是一个必须承担的风险。”菲茨西蒙斯补充道，行业必须面对失败的恐惧，并尝试克服大规模量子计算所面临的技术挑战。他认为，尽管存在许多潜在的障碍，但IBM的计划是合理的。“在这种规模下，控制系统将是一个限制因素，需要大幅发展，以合理有效的方式支持如此大量的量子比特。”他说。

事实上，IBM并不是第一个有如此雄心的公司。此前，谷歌曾表示，其目标是在21世纪末实现100万个量子比特，尽管除开纠错以外只有1万个量子比特可用于计算；总部位于美国马里兰州的IonQ计划在2028年前实现1024个“逻辑量子比特”的运算，每个逻辑量子比特将包括13个物理量子比特组成的纠错电路；与谷歌一样，总部位于美国帕洛阿尔托（Palo Alto）的PsiQuantum也计划建造一台百万量子比特的量子计算机。

另一种观点是，高调宣传物理量子比特的数量有点转移注意力的意味——构建量子比特的技术细节至关重要，这些细节会影响量子比特对噪声的弹性和操作易用性等因素。相关公司通常会提供额外的性能指标，如“量子体积”和“算法量子比特”的数字。在未来十年，纠错、量子比特性能和软件主导的错误“缓解”方面的进步，以及不同类型量子比特之间的主要区别，将使这场竞赛变得逐渐白热化。