IBM和日本AIST合作开发下一代量子计算机

 

6月17日，美国 IBM 公司与日本国家先进工业科学技术研究所（AIST）对外发布消息，将计划打造一台拥有1万个量子比特的超级量子计算机。

 

目前，量子计算机比特仍维持在千比特量级，而此次计划研发的量子计算机可达到1万量子比特，这对量子计算领域来说将是一次革命性飞跃。

 

这台拥有1万量子比特的量子计算机意味着什么呢？

 

新量子计算机预计可无误地进行高级计算组合

 

量子比特是量子计算机的基本单元，其数量的增加将直接提升计算能力，使得量子计算机能够处理更加复杂的算法和问题。因此，这台拥有超过1万个量子位的计算机预计将能够无误地进行高级计算组合。值得一提的是，此次新开发的量子计算机预计将于2029年投入应用。

 

这一巨大的飞跃不仅将大幅提升量子计算机的计算能力，或许还将为量子计算的商业化应用做出贡献。不过，量子计算机目前仍处于初期发展阶段。

 

尽管1万量子比特的量子计算机在技术上取得了重大突破，但要实现量子计算的商业化应用，也面临诸多挑战。科学家称，量子计算商业化的门槛大约在2万~3万量子比特的水平。这意味着，要实现量子计算的全面商业化，还需要在硬件、算法、应用等多个方面取得更大的突破。

 

另外，由于量子计算机系统需要在接近绝对零度的极低温度下才能保证稳定运行，因此，双方还将联合开发下一代量子计算机所需的能够承受接近绝对零度极端低温的半导体和超导集成电路，以确保量子计算机的稳定性和可靠性。

 

AIST和IBM预计将签署一份谅解备忘录，并在未来几天内宣布这项交易。需要注意的是，这个项目也是 IBM 公司首次与国外研究机构在量子计算领域开展的大规模合作。

 

除此之外，报道还指出，IBM 计划在 2025 年开始销售其开发的拥有 1000 余个量子比特的量子计算机，届时，日本国家先进工业科学技术研究所将联合 IBM 培训日本公司（比如制药公司）使用量子计算机，以推动量子技术的普及和应用。

 

日本的量子研发进展

 

此次IBM与AIST的合作，不仅将推动量子计算技术的发展，更将促进不同国家科研机构之间科研合作的深入发展。此次合作对于日本而言，进一步推动其在量子领域的科技进步。

 

早在2022年，美国和日本就签署了《美日竞争力与韧性(CoRe)伙伴关系》的事实简报文件，概述了美国和日本在多个领域的合作计划和进展。其中，在量子技术方面，美国和日本签署了量子信息科学项目安排，这将促进量子通信、计算、传感和材料方面的研究与开发。美国和日本打算针对各自经济安全利益的关键和新兴技术进行联合研究和开发项目，预见这些技术的潜在未来获取和利用，不仅在两国之间，而且也与其他国家志同道合的国家一起。

 

日本正处于探索量子计算机构建的前沿，重点关注五大技术平台：超导电路、硅量子点、光学系统、中性原子以及离子阱技术。这些技术平台的相关项目均在日本政府的“登月计划”框架下进行。其主要的研究进展如下：

 

在超导量子计算领域，日本名古屋大学物理学家Masamitsu Tanaka和他的同事们正在开发创新的“低温电子器件”——用于控制和读出量子比特的电子器件，可在量子比特附近的低温下工作。

 

到2024年，他们已经证明，他们的低温电子器件可以在低至绝对零度以上四度的温度下以超快时钟频率运行。该团队目前正在努力降低能耗，以最大限度地减少量子比特旁产生的热量。

 

在光量子计算领域，东京大学讲师、东京大学教授Furusawa团队成员Mamoru Endo带队采用了一种独创的方法，涉及到量子隐形传态的使用。他们构建了一个所谓的“量子查找表”（quantum lookup table），其中包含了所有可能的输入和输出之间的关系叠加。通过从这个表中进行单次测量，他们实现了两个纠缠的量子比特之间的隐形传态。这种方法的关键在于它使用了一种独创的多路复用方法，并且是在时间上而不是空间上进行信号的切分和合并，为创建大型量子计算机提供了一种可扩展的方法。Endo指出，由于他们的方法不需要使用芯片进行多路复用，因此它使创建大型量子计算机成为可能。

 

Furusawa教授表示，他们目前正在为神经网络开发实际的量子计算机，并计划成立一家新公司，在2024年通过云平台提供这一产品。

 

在半导体量子计算领域，日本正在积极探索两种截然不同的方法来实现基于硅的量子计算机。这一努力突显了该国在量子计算领域的前沿地位。

 

日立研究所（Hitachi, Ltd.）位于东京的杰出研究员Hiroyuki Mizuno正在管理一个大规模硅量子计算机项目。Mizuno表达了他对目前量子计算机研究的激情，认为量子计算机将极大地扩展我们能够解决的问题范围。Mizuno的团队采用了与绝大多数研究人员不同的方法。他们采用了一种自上而下的方法，首先增加量子比特的数量，然后提高其保真度，利用硅集成电路技术的集成特性。

 

 

与此同时，日本国家研究中心理化学研究所（RIKEN）的小组主任Seigo Tarucha也同样对量子计算充满热情。Tarucha的方法与Mizuno相反，他从小规模高保真度量子比特开始，逐步扩大规模。他的团队已经实现了拥有五个高保真度量子比特的系统，并计划在一年内增加到十个，到2026年初达到100个或更多。当达到十量子比特时，该团队计划将量子计算机作为云服务向公众提供。

 

Tarucha的实验室专注于实现高保真量子运算和量子纠错，这对于实现可扩展量子计算机至关重要。他们已经实现了足以进行纠错的单量子比特和双量子比特门，并进行了使用三个高保真量子比特的量子纠错实验，这是在硅量子比特上实现纠错的首次演示。

 

在捕获离子量子计算领域，冲绳科学技术研究所（OIST）的实验量子信息物理学助理教授Hiroki Takahashi的团队正在研究一种新方法，即利用光来链接不同的陷阱。这一过程的难点在于，光子会向各个方向发射，使得收集和指引它们非常困难。通常情况下，收集效率极低，不足10%，有时甚至仅为1-2%。为了解决这一问题，Takahashi正在研究如何将光子限制在一个由两面镜子构成的空腔内，理论上这可以将收集效率提升到大约90%。

 

同时，Takahashi的团队也在实施一项长期战略，旨在同时推进离子阱量子计算机的各个组件，并对整个系统进行宏观研究。

 

在冷原子量子计算领域，日本冈崎分子科学研究所（IMS）的教授Kenji Ohmori预测，“在未来十年内，量子计算机将开始超越传统的超级计算机。”他相信，中期内，冷原子量子计算将超越超导量子计算的能力。

 

2022年， Ohmori团队实现了两个里德堡原子之间的超快能量交换，并在纳秒级时间内完成了5次。实验成功观测到了量子振荡和条件相移——这是量子门的关键资源，它使得量子模拟和计算能够在偶极子间相互作用设定的量子速度极限下运行。

 

Ohmori说，“我们仅用6.5纳秒就完成了一个双量子比特门，这比任何其他基于冷原子的量子计算机快了两个数量级。这是一次颠覆性的创新。”Ohmori的工作开启了量子计算中超快门操作的新时代，但他的探索远未结束。Ohmori强调，“国际合作至关重要，我们需要共同努力解决这些问题，尽快开发出造福人类的量子计算机。”

 

在原子与光子的混合系统方面，东京早稻田大学的应用物理学教授Takao Aoki及其团队正在探索使用原子与光子混合的量子系统（即腔量子电动力学（QED）系统）作为连接单元的可能性。Aoki说：“空腔量子电动力学提供了理想的接口，用于在光学量子比特和原子量子比特之间实现分布式量子计算。”他补充道：“最近，我们已经在自由空间腔体中证明了利用腔QED实现量子计算机关键构件，如单光子源和各种量子门的可行性。”

 

然而，传统的自由空间腔体面临诸多技术挑战，因此Aoki的团队正在探索一种新型的腔QED系统，该系统利用纳米级光纤作为空腔。Aoki解释说：“纳米光纤腔体是一种全光纤QED系统，一个腔体可以容纳多个原子，而且可以通过光纤高效地连接多个这样的腔体。利用这种硬件，我们有望实现大规模的分布式量子计算。”从长远来看，这种方法有潜力超越单个量子计算机的局限，实现量子计算的网络化：“分布式量子计算系统可以连接不同地点的多台量子计算机，从而创建一个量子版的互联网。”

 

 

除此之外，2023年12月，京都大学和广岛大学的研究人员证实了光量子技术中非福克态（iNFS）的存在及其优势，从而在量子技术领域实现了突破性的飞跃。这一发现为光量子计算机、光量子传感和远距离光量子密码学等各种应用带来了巨大希望。iNFS在穿过众多线性光学元件时的稳定性为量子领域的突破性创新提供了机遇。在展示了iNFS的威力和潜力之后，研究团队目前正专注于开发更大规模的多光子、多模态和光量子电路芯片。通过深入研究非福克态及其独特优势，这项研究为量子技术领域的革命性进步铺平了道路。

 

 

值得注意的是，AIST 在日本量子研发机构中十分重要。在其最新的研发布局中，2024年4月，QuEra 斥资 4100 万美元打造量子计算机，助力日本 AIST 超级计算和量子 AI。QuEra 与 AIST 的合作是开发混合量子-经典计算平台的战略计划的一部分。目标是将 QuEra 量子计算技术的独特功能与 AIST 的 ABCI-Q 超级计算机的强大功能相结合。该混合平台旨在促进高保真模拟和量子 AI应用。

 

同2024年4月，Nvidia 宣布，日本的新型量子超级计算机将采用 Nvidia 加速和量子计算平台，旨在推进该国的量子计算计划。日经新闻等日媒报道称，日本产业技术综合研究所（AIST）正在构建量子计算机与超级计算机的混合云系统，名为“ABCI-Q”。

 

2024年6月，为支持大规模超导量子计算机的开发，日本最大的公共研究机构之一国家先进工业科学与技术研究所 (AIST) 的研究人员与横滨国立大学、东北大学（日本国立大学之一）和NEC公司合作，提出并成功演示了一种可在低温下控制许多量子比特的超导电路。

 

在这项研究中，研究人员在液氦中4.2 K的条件下，成功地在概念验证实验中演示了一种可以通过单根电缆使用微波多路复用技术控制多个量子比特的超导电路。这种电路有潜力将每根电缆的微波信号密度提高约1,000倍，从而显著增加可控量子比特的数量，为大规模量子计算机的发展做出贡献。

 

另外，在开发通用量子计算机所需的关键部件方面，庆应义塾大学、大阪大学和横滨国立大学领导的三个重要研究项目正是这一“登月”目标的核心。

 

横滨国立大学的研究人员正在努力开发一种用于量子计算机的微波-光学量子传感器

 

日本研究人员在1999年首次展示了利用超导体制造的有前途的量子比特。这些量子比特通常使用一对超导电子进行数据编码，并能通过状态转换来发射微波光子。这些光子携带有关量子比特状态的信息，为量子比特之间的数据传输提供了一种方法。Kosaka的团队正在致力于开发一种量子转换器，它能够在不丢失任何量子信息的情况下将微波光子转换为光子，这对于实现远程超导量子比特连接至关重要。

 

同时，研究人员还在探索其他类型的量子比特，包括依赖于原子、光子或被称为量子点的半导体纳米结构。每种量子比特最终都可能在量子计算系统中发挥不同的作用，它们之间的良好连接至关重要。

 

大阪大学量子信息与量子生物学中心副主任Takashi Yamamoto表示，他们正在研究如何利用量子网络技术连接和扩展基于这些不同量子比特（包括超导系统）的量子计算机。Yamamoto希望在未来几年内，这些设备中的一部分将用于构建小型量子计算机网络。他说：“下一个重大挑战是利用我们的网络技术连接量子计算机，这将是至关重要的一步。”

 

东京庆应义塾大学量子互联网中心副主任Shota Nagayama强调了高效和智能的量子网络架构对于大规模量子计算的重要性。他的团队的目标是到2030年建立一个小型但稳健、可扩展的量子计算机网络，其中至少包含三个量子计算机节点，并将其作为试验平台进行演示。

 

Nagayama还寄希望于这种网络最终能够扩展到全球范围，创建一个“量子互联网”，将地球上的每一台量子计算机都整合到一个全球规模的量子计算机网络中。这将为数十亿用户提供利用量子计算变革能力的机会

 

IBM多次刷新全球量子比特数量的记录

 

作为全球科技巨头，IBM 在量子计算领域走在世界前沿，此前曾多次刷新全球量子比特数量的记录。

 

2021 年11月，IBM 推出了创纪录的拥有 127 个量子比特量子计算机——“Eagle”。Eagle是IBM第一个拥有100多个量子比特的处理器，代表了朝着扩展量子计算迈出的一大步。2022 年11月，IBM 又推出了拥有 433 个量子比特的“鱼鹰”（Osprey）。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。2023年12月，IBM 发布了拥有 1121 个量子比特的“秃鹰”（Condor），这是迄今发布的最大的基于Transmon的量子处理器。

 

2024 年，IBM 计划推出 Crossbill，一款由三个微芯片通过短距离量子通信链路连接在一起制成的 408 量子比特处理器，以及 Flamingo ，一款 462 量子比特模块，它计划通过大约 1 米长的量子通信链路将其组合成一个 1,386 量子比特系统。如果这些连接实验成功，IBM 计划在 2025 年推出其 1,386 量子比特的 Kookaburra 模块，通过短距离和长距离量子通信链路将三个这样的模块组合成一个 4,158 量子比特系统。

 

与此同时，IBM 还努力实现量子计算的商业化。在2024年6月6日，BM和Pasqal打算合作开发一种以量子为中心的超级计算的通用方法并促进化学和材料科学的应用研究。IBM和Pasqal将与高性能计算领域的领先机构合作，为以量子为中心的超级计算奠定基础——将量子计算与先进的经典计算相结合，以创建下一代超级计算机。此次合作被视为迈向量子计算机商业化和实际应用的关键一步。

 

IBM 量子计算路线图

 

值得注意的是，IBM的每一次重要进展都在遵循其发布技术路线图。IBM新的目标是建造以量子为中心的超级计算机，这将包含量子处理器、经典处理器、量子通信网络和经典网络，所有这些都将共同工作以彻底改变计算方式。更新的路线图延续到了 2025 年，但发展不会止步于此。届时，将消除扩展量子硬件的一些最大障碍，同时开发能够将量子集成到计算工作流程中的工具和技术。

 

参考链接

[1]https://asia.nikkei.com/Business/Technology/IBM-and-Japan-institute-team-up-to-develop-next-gen-quantum-computer

[2]https://ua.ariat-tech.com/news/ibm-and-japanese-research-institute-develop-next-generation-quantum-computer-with-10,000-qubits.html

[3]https://spectrum.ieee.org/ibm-condor

[4]https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.16.034005