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IBM 433 QPU低调上线！详解超导量子的前世今生

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发布时间：2023-05-09

 

刚刚，万众瞩目的433量子比特Osprey芯片低调上线IBM量子云。

 

Osprey是迄今为止最大的通用量子处理器。它比IBM Quantum突破100量子比特的处理器Eagle大三倍。与Eagle一样，Osprey包括多级布线，为信号路由和设备布局提供了灵活性，同时还加入了集成滤波功能，以减少噪声和提高稳定性。

 

早在2022年11月9日的IBM年度量子峰会上，IBM公司推出了Osprey芯片，它拥有超过Eagle（127量子比特）约三倍的433个量子比特。至此，433量子比特的Osprey成为了IBM可提供客户使用的最大规模的量子处理器。

 

https://quantum-computing.ibm.com/services/resources?tab=systems
 
目前，IBM官网还没有发布相关更新通知。不过，IBM仍然表示，“我们的共同使命是将 Qiskit Runtime 集成到我们合作伙伴的应用程序和服务中，以便从量子电路中提取价值。”
 

 
超导量子比特是目前量子计算商业领域的领先技术，被IBM、谷歌、Rigetti、亚马逊、阿里巴巴以及许多创业公司如IQM（芬兰）、OQC（英国）、Anyon Systems（加拿大）、Alice&Bob（法国）、Nord Quan- tique（加拿大）、本源、量旋等所选择。
 

超导量子比特的历史年表。耶鲁大学的科学贡献在这里似乎占主导地位，因此有“耶鲁帮(Yale gang)”的绰号
 
超导量子比特的历史始于20世纪80年代中期，也可以追溯到1957年的BCS理论，该理论（部分）解释了自旋相反的电子对（即库珀对）在低温下的行为：它们产生了超导效应。然后，1962年，Brian Josephson发现了约瑟夫森效应，并于1963年由贝尔实验室的John M. Rowell完成了其实验证明。
 
1980年，Antony Leggett建立了超导电路的集体自由度模型：它有点像冷中性原子的玻色-爱因斯坦凝聚物，超导材料中电子的库珀对表现得像一个单一的量子物体，有自己的量子波。Antony Leggett表示，约瑟夫森结的量子行为可以从其经典行为中推断出来。
 
1985年，John Clarke、Michel Devoret（他的博士后）和John  Martinis（他的博士生）证明了一个电流偏置的约瑟夫森结在零电压状态的宏观量子隧穿现象。不久之后，他们证明了该相的量子水平——这是第一个人造的电原子。
 
当时，JJ（约瑟夫森结）是用Nb-NbOx-PbIn（铌、铅、铟）实现的，并用一个基于He-4的低温器冷却。
 

早期约瑟夫森结阵列
 
1998年，当时在法国CEA-Saclay的Michel Devoret、Daniel Esteve和Cristian Urbina的量子学小组攻读博士学位的Vincent Bouchiat实现了第一个库珀对箱（CPB），并描述了其地表状态。简单地说，库珀对箱是一个JJ，通过一侧的电容器连接到电压盒：一边是电容，另一边是约瑟夫森结。
 
1999年，中村康信与Yuri Pashkin和Jaw-Shen Tsai在筑波的NEC实验室首次展示了具有第一激发态的量子相干叠加现象。这是第一个“电荷量子比特”，其相干时间极短、只有2纳秒。他们在2001年对其进行了扩展，首次实现了与库珀对箱中两个约瑟夫森级之间的转换有关的拉比振荡测量。2002年，CEA-Saclay Quantronics团队展示了库珀对箱的第一个功能性量子比特版本——quantronium；后来，CEA的团队花了大约12年时间才达到四个量子比特。
 
CPB电路的现代版本——大名鼎鼎的transmon，于2006年在耶鲁大学开发。由Rob Schoelkopf、Michel Devoret和Steve Girvin领导的耶鲁大学研究团队迎来了许多才华横溢的理论家和实验家，他们对transmon式量子比特的进展做出了关键贡献。
 
Jerry Chow也是2005年至2010年期间的主要贡献者，此后一直在IBM工作，现在在Jay Gambetta的团队中领导他们的量子硬件系统开发。在2009年。Devoret、Schoelkopf、Leonardo Di Carlo（现在在代尔夫特理工大学）、Jerry Chow等人创造了第一个可编程的双量子比特处理器，并在其上实现了一个小型的Grover搜索。2012年，A. Dewes等人在CEA Saclay用Grover的搜索算法演示了第一个完全配备了一套通用门和单个单次量子比特读出的功能性双量子比特处理器。Blake Robert Johnson在2011年提出使用Purcell 滤波器来保护量子比特免受自发发射的影响。
 
其他值得一提的贡献有Hans Mooij（代尔夫特理工大学）：他在1999年用三个约瑟夫森结创造了一个通量量子比特，并在2000年进行了实验。Andrew Hook（普林斯顿大学）对transmon比特的发展做出了贡献。2010年，Andrew Cleland、John Martinis和他们的博士Arron O'Connell能够将三个通量超导量子比特纠缠在一起，这导致了2013年Xmon可调谐量子比特的诞生，后来Martinis在2014年后在谷歌公司使用；Andrew Cleland现在在芝加哥大学经营自己的实验室。
 
2017年，当时在牛津大学的Peter Leek创造了同轴超导量子比特，其中量子比特和谐振器位于单个芯片的对立面，控制和读出线路由垂直于芯片平面的同轴线路提供；这导致了同年OQC的诞生。2022年，IQM的Mikko Möttönen创造了Unimon超导量子比特，其设置更简单、非线性更强、延迟性更好。然而，这两个量子比特都还没有展示出比现有技术水平更高的优点。
 
然后，2013年，耶鲁大学的Mazyar Mirrahimi和Michel Devoret创造了“猫量子比特”，此后又有许多进展。
 

不同类型的超导量子比特，在两种不同状态下编码量子信息的方式不同。
 

 

超导量子比特使用一个非谐波振荡器来区分对应于量子比特的基态和激发态的两个能量水平。
 
超导量子比特是目前基于门的模型中最好的可扩展结构，截至2023年5月，根据官方报道，IBM有433个量子比特、中国有176个量子比特、欧洲有361个量子比特——尽管到目前为止，这些量子比特的质量仍然不足以让它们在实际中发挥作用。
 
具体来说，超导量子比特中使用的约瑟夫森结是两个超导金属之间的、一个薄的纳米级绝缘屏障，形成一个隧穿结。它创造了一个具有单一自由度的量子电气元件——即其电极之间的超导相位差，与通过该结的库珀对数量相联系；通过“结”的超电流（直接电流约瑟夫效应）是由相位差驱动的。从电学的角度来看，约瑟夫森结表现为一个非耗散性和非线性的电感，其值取决于相位，从而取决于电流。超导量子比特的特殊性在于它是唯一主流的宏观量子比特，也就是说，它们与单个粒子的控制无关（如单个原子、电子或光子，正如大多数其他量子比特技术一样）。
 
在远低于超导临界温度的超导温度下，嵌入电路中的约瑟夫森结表现得像一个人造原子，具有门和/或流量控制的量子水平和约10^11个电子（1000亿）的电子库珀对。它们形成了一个具有精确可控能级的人造原子，具体参数包括一个约瑟夫森势垒、一些串联和/或并联的电容和电感以及一些使用附近谐振器的读出电路。
 
超导量子比特使用非耗散元件：电容、电感和作为非线性非耗散电感的约瑟夫森结。电容器在电场中储存能量，而电感器在磁网中储存能量。但在任何非零频率下，超导体仍会通过两个渠道耗散一些能量：由库珀对和正常电荷载流子（准粒子）进行的传输，这与准粒子密度成正比、在低温下会呈指数级减少。
 

一个典型的超导量子比特实验室的配置。现在，从事实际QPU工作的实验室使用的是来自行业供应商（Quantum Machines、Zurich Instruments、Keysight、Qblox等）的更多专用和集成的量子比特控制技术。
 
当前一代的超导门控量子计算机属于前NISQ和NISQ类——NISQ指的是嘈杂的中尺度量子计算机。它描述的是具有超过50个物理量子比特的量子计算机；它们与最好的经典计算机相比，可以带来一些优势：计算速度、结果质量和一些能量上的优势。前NISQ系统的量子比特数低于50个，通常低于量子优势阈值。
 

NISQ和FTQC可能与NISQ和量子误差缓解之间的竞争相重叠、扩大噪声量子比特的容量，而修正的量子比特将使FTQC和更大深度的算法成为可能。
 
不过，到目前为止，没有一台计算机处于可用的NISQ区域。一些供应商（如IBM），正计划发布新的QPU（量子处理单元），其保真度在99.9%的范围内、足以运行具有一定量子优势的NISQ量子算法。但在算法深度能力方面，我们可能会在NISQ和FTQC时代之间出现重叠，在非常高延时的量子比特、量子纠错与大量高延时的量子比特、量子纠错之间存在竞争。
 
然而，在使用现有的NISQ硬件方面，目前的时期是富有成效的。它的目的是学习这些系统的编程，设计新的算法和创造各种错误缓解技术。它还为量子计算机开发者提供了一个反馈回路，特别是围绕管理这些QPU的各种软件云工具。
 
在NISQ系统开发之外或与之平行的是容错量子计算机（FTQC）。这些QPU将依赖于逻辑量子比特组，由于使用了量子纠错码和冗余，错误率会降低。逻辑量子比特将具有较低的错误率，这取决于纠错码、物理量子比特的密度、它们的连接性和数量。预计基于超导的逻辑量子比特将需要一千到几百万个物理量子比特，当然，这取决于目标应用。
 

 
像所有的量子比特类型一样，超导量子比特在创造有用的量子计算机方面有其挑战，无论是在NISQ还是FTQC领域。理论上，该技术可以扩展到数千甚至数百万的量子比特。2022年11月，IBM通过其“白鹭”33量子比特处理器获得了一流的延时，展示了99.7%的两量子比特门延时。而创建一个容错的量子计算机至少需要约10万个物理量子比特，其延时率为99.9%：这将使100个逻辑量子比特和一个相等的计算深度成为可能。
 
这些要求带来了巨大的挑战：
 
- 在这种规模下，能否控制量子比特的串扰？
- 是否有可能以一种可控的方式最大限度地纠缠如此大的多体量子系统？
- 如何以最小的物理量子比特开销要求设计量子纠错码？
- 是否有可能创建足够的低功耗控制电子器件、电缆、多路复用和低温技术来达到这样的规模？
- 相关的能源消耗是否会被控制，能否以“量子能源倡议”建议的系统方式解决这个问题？
- 是否有可能用微波或熵来实现几个量子处理器的互连？- - 是否可能用微波或纠缠光子资源？
- 如何改进用于设计这些量子比特芯片组的软件工具？
 
所有这些科学和技术挑战都是巨大的。
 

目前商业供应商提供的超导量子比特计算机的双量子比特门密度。蓝色区域对应的是QPU可以在NISQ或FTQC体系中带来计算优势的区域。FTQC系统需要至少99.9%的延迟，并可扩展到数百万个量子比特，而NISQ系统是基于几百或几千个量子比特的。
 
现在，像IBM、Rigetti和谷歌这样的供应商正试图创建具有数百个量子比特的NISQ系统，这可能会带来一些量子计算的优势：这要归功于与浅层深度算法一起工作的量子错误缓解技术，特别是与超级计算机一起以混合模式工作的变分算法。创建可用的 NISQ系统仍然需要比现在更高的门密度，例如，双量子比特的门密度需要高于 99.99%.
 
尽管前方挑战重重，但可以确定的是，未来几年，超导量子技术将带给市场更多惊喜。关于这一点，我们拭目以待。

参考链接：
[1]https://quantum-computing.ibm.com/services/resources?tab=systems
[2]https://research.ibm.com/blog/qiskit-runtime-capabilities-integration
[3]https://link.springer.com/article/10.1140/epja/s10050-023-01006-7
 
 
 

 

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