深度觀察：IBM正努力打造商用化通用量子計算機

導讀

作為一個歷史悠久的科技巨頭，IBM公司正致力於打造更加實用，甚至可商用的通用量子計算機，在此過程中結合了雲計算和軟體等多種技術，並且建立起量子計算的雲平台以及生態系統。本文旨在帶大家一起觀察一下IBM在量子計算方面的規劃和進展。

關鍵字

通用量子計算機、量子位、量子處理器

時下，量子計算機作為一項前沿創新技術正備受各界關注。前幾天，筆者在《聲子計算機：計算機技術未來發展的新希望！》一文中，再次為大家解釋了量子位的概念，也說明了相對於經典計算機，量子計算機強有力的並行計算能力，可以帶來新的希望，解決經典計算機無法企及的問題。

眾所周知，世界各國的各大科技公司和科研機構，都在爭相研發量子計算機，搶佔量子計算這一戰略高地。然而，John 今天要帶大家重點關注一家歷史十分悠久的科技巨頭：IBM公司，看看IBM在量子計算機的開發方面，是如何進行規劃的，以及取得了哪些進展。

「Quantum Experience」

首先，我們從IBM去年開發的量子計算平台聊起。2016年5月份，筆者曾在《IBM量子計算平台和雲端量子處理器》一文中，介紹過IBM開發的一款基於雲的量子計算平台：「Quantum Experience」。要詳細了解，請大家參考前面的文章，這裡為了簡明扼要，筆者提取出以下幾個值得關注的重點：

• 具有5個量子位的超導量子計算處理器，這代表了當時IBM量子構架研究的最新成果，並且可擴展至更大規模的量子系統。

（圖片來源於：IBM研究院）

• 量子糾錯能力，將量子位封裝到晶格型結構中，實現奇偶校驗位檢測，從而保證量子計算的準確性。

• 基於IBM雲平台的開放式體驗系統，用戶可以通過雲輕鬆連接量子硬體，操作量子位，運行演算法，進行教學和模擬實驗，從而形成一個基於量子計算的、開放的用戶社區。這樣不僅可以激發普通愛好者的興趣，也促進了科研人員的科學研究和科技創新。

（圖片來源於：IBM研究院）

從以上提及的幾點重要進展中，我們可以思考一下，量子計算機的研發和發展呈現出何種趨勢和特點？我簡單分析如下：

主要是量子位越來越多、糾錯能力越來越強、以及打造更加開放式的社區和體驗系統，形成龐大的生態鏈。當然，最重要的一點，就是打造可商用的「通用量子計算機」。

那麼，我們不禁要問什麼是通用量子計算機呢？

首先，大家可以看筆者在《可編程配置的「囚禁離子」：讓通用量子計算機離現實更近》和《通用量子計算機領域的重要進展：「小型化量子位」技術》對於通用量子計算機的概念做過一些介紹，並且還介紹了科學界為實現通用量子計算機所取得的一些進展。

為了幫助大家理解，我首先簡單解釋一下通用計算機的概念：

現在，不少量子計算機都號稱具有強大的計算能力，但是這些量子計算機往往受限於實驗室環境，並且也只能運行一些特定演算法，無法到達可隨意運行「任意演算法」的效果。簡單一點說，量子計算機無法像目前的經典計算機一樣，運行任意程序，所以其運算速度優勢無法真正展示出來。

然而，要打造真正的通用量子計算機，還需要戰勝種種挑戰，例如：實現更多的量子位、克服溫度和環境因素影響、量子糾錯能力、量子位小型化、低成本化等等。所以，IBM等各大公司和科研機構都在積極探索，筆者也將繼續關注相關進展。

（圖片來源於：IBM研究院）

「IBM Q」量子系統

接下來，我們將視線轉回IBM公司。在今年3月份，IBM公司在業界首先倡議構建可商用的通用量子計算機系統，並將新系統命名為「IBM Q」量子系統。它是在IBM Quantum Experience 平台的基礎上，通過IBM雲平台為廣大用戶提供相關服務。

（圖片來源於：IBM研究院）

雖然，目前IBM也曾研發出 Waston這樣的經典計算機平台，它也可以提供強有力的大數據分析。然而，當實際問題涉及的數據達到十分龐大級別後，經典計算機將無法應對此類問題。此時，量子計算機平台將可以發揮其獨特的作用。

例如，目前自然界的許多問題對於經典計算機來說，都是指數級的，十分複雜，難以處理。然而，量子計算應用的一個最好的例子，便是在化學領域。即使對於最簡單的分子，例如咖啡因，分子中的量子狀態的個數也很多，所以依靠傳統計算機的存儲器和處理能力，根本無法應對此類問題。然而，IBM的科學家們利用量子處理器和IBM
Q
系統，卻能夠有效地處理此類化學相關的問題。

（圖片來源於：IBM研究院）

在開發新系統後，IBM不忘對於老系統 「Quantum Experience」 平台進行升級。為了讓更多人參與進來，甚至包括沒有量子力學背景知識的朋友，IBM發布了新API，讓開發人員和程序員可構造量子計算機與經典計算機之間的介面。另外，IBM還發布了一個新模擬器，可為20個量子位的電路建模。2017年上半年，IBM還將發布關於「Quantum Experience」的完整SDK （軟體開發包），讓用戶可以構建簡單的量子應用程序和軟體程序。

然而，IBM打造IBM Q系統的主要是為了拓展量子計算的應用領域，然而其中一個關鍵的度量標準就是：量子體積 「Quantum Volume」，它包括：量子位個數、量子操作的質量，量子位的連接性和平行度。

（圖片來源於：IBM研究院）

為什麼會出現量子體積這樣的概念？

這是因為量子處理器解決實際問題的能力，不僅僅取決於量子位的個數，還和量子位的質量相關，也就是量子位之間如何「交談」，以及最小化量子錯誤發生的概率。為此，IBM提出了一個新的度量指標：量子體積。

此外，IBM還計劃整合各方面資源，例如半導體、軟體、雲計算、數學等方面，進一步推進量子計算機走向通用化，最終走向商業化。同時，IBM 還與開發人員、程序員、科研院所、工業夥伴展開各種合作，進一步打造 IBM Q 生態系統。

兩款最新量子處理器

IBM Q系統對於科學研究、大學教學、以及一些列相關領域產生了巨大的促進作用。目前為止，用戶在IBM雲平台上已經進行了超過300,000個量子實驗。

昨天，IBM又帶來了令人驚喜的好消息：他們又介紹了兩款新的量子處理器，帶來了更加強大量子計算能力，為解決商業和科學中遇到的實際問題奠定了基礎。

（圖片來源於：IBM研究院）

這兩款處理器的情況如下：

• 16個量子位的處理器，讓開發人員、程序員和研究人員可以訪問它，運行量子演算法，利用單個量子位工作，開發教程和模擬模擬。

• 17個量子位的商用處理器原型，在材料、元器件和架構方面都有了很多進步，可以說是目前為此，IBM所構建的最強大的量子處理器。它比目前IBM雲平台上的公布的處理器要強大兩倍以上，並將成為IBM Q早期商用系統的基礎。

量子計算的應用領域

對於量子計算的應用領域，之前筆者也做過很多介紹，我們今天來看看IBM的說法，量子計算的應用領域將包括：

• 藥物和材料開發，降低分子和化學作用研究的複雜性，發現新型藥物和材料。

• 供應鏈和物流，尋找全球系統的優化路徑，用於超高效的供應鏈和物流，例如優化節假日的物流車隊的配送服務。

• 金融服務，尋找建模金融數據的新途徑，和隔離關鍵的風險因素，從而進行更好的投資。

• 人工智慧，當數據變得很大時，例如搜索圖片和視頻，讓人工智慧的機器學習更加強有力。

• 雲安全，讓雲計算更加安全，通過量子加密提高隱私數據的安全性。

未來

在這兩款具有16和17個量子位的量子處理器成功發布後，IBM未來還計劃將量子位的個數增加到50個甚至更多，帶來更強大、更通用的量子計算系統，幫助我們解決實科研和商業實踐中，遇到的各種極其複雜的問題，這些問題依靠經典計算機無法單獨完成的。

量子計算技術走向商業化，是這項技術發展日趨成熟的標誌。未來，可商用的通用量子計算技術，對於科技市場和科技產業的影響，必將是深遠的。

參考資料

【1】http://www-03.ibm.com/press/us/en/pressrelease/52403.wss

【2】https://www-03.ibm.com/press/us/en/pressrelease/51740.wss

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