從計算機到服務(wù)器到超級計算器再到量子計算機，基礎(chǔ)運算構(gòu)架和原型電路基本上由IBM早期主導(dǎo)完成。

 

全世界各地的主要實驗室不斷針對量子運算進行深入研究，甚至包括新進該領(lǐng)域的Google。然而，IBM宣稱，從該公司在量子運算研究長達30年的經(jīng)驗來看，顯示Goole在其“線性”設(shè)計方面的構(gòu)想并不正確，因為IBM所采用的“方磚”(square tiled)設(shè)計能夠解決在量子運算方面最重要的錯誤校正問題，而且能夠因應(yīng)未來的需求調(diào)整至任意規(guī)模。

 

IBM從1981年開始尋找合適的量子運算架構(gòu)，當(dāng)時該公司出席了諾貝爾獎得主理察．費曼(Richard Feynman)首次的“信息實體”(physics of information)專題討論，Richard Feynman在討論中提出了量子運算的概念。

 

34年干了一件：量子運算架構(gòu)實驗

 

在接下來的34年，IBM持續(xù)發(fā)展費曼的理論，發(fā)明了自家的量子運算架構(gòu)，并進行各種實驗，如今已能讓組件可靠地擴展到任意數(shù)量的量子位(qubit；Qb)——無限地延伸摩爾定律——因為它只需要50Qb，就能超越Top500.org超級計算機排行榜上最快速的超級計算機。

 

“我們目前正發(fā)布一款4Qb的系統(tǒng)，并針對8Qb的系統(tǒng)展開實驗，”IBM Research Center實驗量子運算部門經(jīng)理Jerry Chow表示，“但與其他設(shè)計不同的是，我們已經(jīng)解決了一連串的問題，使其得以擴展到使用任何量子位數(shù)的超級計算機。”

 

目前的原型(下圖)在市售的超級冰箱中被冷卻至15 mK(開氏溫標(biāo))，目前已經(jīng)解決在量子運算中兩個最重要的問題。根據(jù)IBM表示，這是指同時校正位翻轉(zhuǎn)與相位翻轉(zhuǎn)的錯誤，以及可完全擴展至任何尺寸。

 

 

IBM的4個超導(dǎo)量子位元首次利用正方形晶格檢測兩種量子錯誤 ，包括位誤差和相位誤差。（來源：IBM Research）
 

 

“在針對量子運算進行研究節(jié)道路上，校正錯誤是最重要的問題，因為量子位并不像一般計算機位那樣強勁穩(wěn)定，”Jerry Chow表示，“量子位十分脆弱，并且可能因為環(huán)境與系統(tǒng)中的各種噪聲而受損。”

 

在量子計算機中有兩種重要的錯誤必須加以校正——位錯誤(從1到0或從0到1翻轉(zhuǎn)錯誤)以及相位翻轉(zhuǎn)誤差(這可能導(dǎo)致訊號在彼此間相減而非相加) 。遺憾的是，要一次解決這兩種錯誤是非常困難的。為了解決這個問題，IBM表示必須采用方形架構(gòu)，才能同時解決兩個問題或其中一個問題，而Google采用線性數(shù)組架構(gòu)則存在限制。其結(jié)果是，IBM的4Qb方形數(shù)組帶來了4倍冗余，但也實現(xiàn)了可無誤差擴展的量子計算機。

 

 

IBM的優(yōu)化方磚布局，可增加更多量子位以及擴展至更大的系統(tǒng)。（來源：IBM Research）
 

 

“量子計算機需要近乎完美的量子位，才能進行有意義的運算，所以必須要利用一些量子位來進行錯誤校正，”Jerry Chow表示，“事實上，我們目前正在打造8Qb的架構(gòu)，為單一量子位校正其他可能的錯誤。同時，我們認(rèn)為大約需要13-17Qb或更多的量子位數(shù)，才能使單一量子位完全可靠。”

 

原因在于量子位不只是像一般位一樣擁有一個0或1，而是能夠迭加數(shù)值，“他們是一部份的0與部份1，而這也就是為什么在量小計算期間難以完整保留之故，”Jerry Chow說。

 

在目前的4Qb架構(gòu)中，其中有2Qb的值可加以保存，而其他的2Qb則可分別用于告訴你是否存在任何位翻轉(zhuǎn)或相位翻轉(zhuǎn)錯誤。

 

IBM的Jerry Chow在IBM華生研究中心的量子運算實驗室中檢測量子位。

關(guān)鍵字：IBM量子計算機  量子運算實驗  4量子位 

 

量子運算究極態(tài)：完美無瑕的量子位

 

接下來，IBM渴望達到量子運算的神圣目標(biāo)——完美無瑕的量子位——可形成讓一臺真的量子計算機擴展成任何規(guī)模的基礎(chǔ)。為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，IBM計劃以增加量子位(目前是以8位表面晶格)來擴展現(xiàn)有架構(gòu)，以期提供更佳保護與校正量子位錯誤，從而達到展開營銷真正量子計算機所需的完善程度。

 

“這可能得在一個可擴展的晶格中使用8、13、17或甚至49Qb，才能實現(xiàn)完美的神圣目標(biāo)；此外，該架構(gòu)可能必須改變?yōu)榫匦位蛄切位蚱渌麑ΨQ的結(jié)構(gòu)。但我們現(xiàn)在深信這絕對是一個可實現(xiàn)的目標(biāo)。”

 

 

 

 

 

 

IBM的量子運算架構(gòu)利用可擴展的堆棧模塊，檢測并校正量子錯誤，而且可望解決傳統(tǒng)計算機無法處理的問題。 （來源：IBM Research）
 

 

一旦完善化量子計算機，不僅能夠破解當(dāng)今任何加密的代碼，制作出無法破解的新代碼，同時還能讓研究人員們了解傳統(tǒng)計算機無法仿真的實體過程。例如，可讓普通流程運作的所有分子互動，有助于設(shè)計者創(chuàng)造出當(dāng)今無法想象的材料，從非結(jié)構(gòu)性的巨量數(shù)據(jù)實時歸納出有意義的看法，以及真正理解目前只能透過反復(fù)試驗才能發(fā)現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)。

 

Jerry Chow強調(diào)，“量子計算機將在各個產(chǎn)業(yè)催生一個創(chuàng)新節(jié)新時代。”

 

IBM的研究工作一部份來自美國情報先進計劃研究署(IARPA)多量子位相干—操作計劃的贊助。