IBM完成127个量子比特的量子计算机Eagle的初步开发

去年 11 月 16 日，IBM 在其在线量子峰会上宣布，它已经成功完成了 Eagle 的初步开发，这是一款 127 量子比特的量子计算机。2020 年软件的源代码是什么样子的，IBM 的蜂鸟量子计算机处理了 65 个量子比特；2019 年，该公司的 Falcon 量子计算机处理了 27 个量子比特。正如你所看到的，IBM 一直在稳步增加其量子计算机可以处理的量子比特数量，每年可运行的量子比特数量大约翻一番。但是，Eagle 是 IBM Quantum System One 系列的最后一个成员。用于冷却容纳量子比特的约瑟夫森结的低温冰箱的设计已达到极限，因此 IBM 不得不与 Bluefors Cryogenics 合作，为更大的机器开发一个新的、更大的低温平台。

在数字计算的二进制世界中，没有什么可以帮助我们理解量子计算，尽管有一些表面上的相似之处。例如，量子计算机以量子比特存储数据，就像数字计算机以比特存储数据一样。但是，一个位只能存储“1”或“0”。每个量子比特都可以在叠加状态下存储“1”和“0”。因此，量子比特存储对应的信息密度要高得多。

此外，量子位可以纠缠在一起，爱因斯坦曾将这种现象描述为“远距离的怪异行为”。量子纠缠是量子世界的一种属性，曾经是科幻小说的素材。然而，它是相当真实的，是量子计算的重要组成部分。

因此，IBM 发布 Eagle 是一件大事。Eagle 量子计算机可以同时处理 2127 个状态的系统模型。有这么多状态，Eagle 以前无法像简单的量子计算机那样用普通的数字计算机来模拟。换句话说，没有更多的量子模拟器，我们处于一个只有量子计算机才能执行量子计算的全新世界。IBM 计划在 2022 年投入运行其 433 量子比特的 Osprey 量子计算机，并预计在 2023 年投入运行的 1,121 量子比特计算机。

这些以鸟命名的量子计算机不仅仅是 IBM 的科学项目。该公司正在将这些机器放在云端，并将它们用于东京大学、克利夫兰诊所和韩国延世大学等机构的研究。IBM 在全球总共安装了大约 50 台第一代量子计算机。

建立一支量子程序员大军

这些量子计算设备是 IBM 有远见的举措，旨在培养一批精通量子计算机编程的人，这仍然非常神秘。虽然 IBM 开发了具有高级抽象的工具，以使计算机科学家更熟悉编程，但量子计算的编程目前正处于起步阶段。

从本质上讲，量子计算机与数字计算机根本不同。在 11 月的 IBM 量子峰会上有很多关于量子门和量子电路的讨论。也许我们会认为它们与电子门和电路有一些相似之处，但事实并非如此。量子门不是门，它们是操作；量子电路不是电路，它们是量子操作的序列。

就像光子一样，布尔门（如 NOT、AND、OR 门）具有大多数人忘记或忽略的对偶性。从某种意义上说，这些门是抽象的。它们只是定义可以在一个或多个数字输入上执行的布尔运算。这些数字输入可以处于“1”或“0”状态，并且是唯一可以存储在数字位中的状态。此外，当我们想到门时，大多数人都会想到基于晶体管的示意图，例如 TTL 门、CMOS 门、FinFET 等。这些是门的物理实现，在量子计算的世界中没有这样的东西。

量子比特不仅仅是 0 和 1，它们是 0 和 1 的叠加，最好用向量来描述。量子门是对量子位执行的操作，有点像抽象布尔门对二进制位执行操作。然而，这种模糊的相似性到此为止。因为量子比特最好用向量来表示，所以量子门实际上是转换这些向量的矩阵计算。

根据创建量子位的方式，可以通过用微波或激光脉冲轰击量子位来执行量子门操作。在这两种情况下，外部能源都会对存储的量子位执行所需的操作，从而导致其向量描述发生一些变化。具体实施过程是每个供应商的量子计算商业机密的一部分。

以下是几种类型的量子门：

上面列出的量子门函数只是为了让你初步了解量子编程的复杂性（细节太复杂无法介绍），其中涉及将这些门连接成电路。当然，这些所谓的“门”实际上是抽象的数学运算，所以电路中没有真正的“门”，也没有电线。量子电路实际上是一系列顺序的量子门操作，在一个或多个量子位上同时执行。虽然量子电路图看起来有点像电子原理图，但它实际上是一个随着时间的推移逐步执行的程序。

量子电路类似于 FPGA

在某些方面，我认为量子电路类似于早期的 FPGA 设计。那是在 1980 年代，当时还没有图表时代的所有 HDL 和逻辑综合。使用受控门，量子电路可以同时在多个量子位上运行。

对作者而言，FPGA设计固有的并行性类似于多个量子比特可以由多个门同时操作。当然软件的源代码是什么样子的，IBM 破纪录的 127 量子比特设计并没有那么多并行性。但是，最初的 Xilinx XC2064 FPGA 只有 64 个 LUT，因此确实存在相似之处。此外，每个量子位可以有多种类型的门，一个接一个，这有点类似于 FPGA 中的 LUT 可编程性。

当然，量子电路和 FPGA 之间也有很多不同之处。像量子纠缠这样的特性对于经典数字世界来说是完全陌生的，量子电路的开发工具也不像过去或现在的 FPGA 设计工具。尽管我发现量子电路和 FPGA 之间存在某些相似之处，但它们在很多方面都是非常不同的东西。FPGA 是真正的 2D 设备。量子电路在更多维度上运行。

IBM 的主要量子开发工具是 Qiskit，这是一个开源 SDK，用于量子计算机在脉冲、电路和应用模块级别工作。到目前为止，IBM 的所有量子计算机都可以使用 Qiskit 进行编程，并且该公司开发了许多课程来培训人们使用 Qiskit，就像该公司在 20 世纪中叶培训人们对数字计算机进行编程一样。

IBM 认为量子计算机不会很快普及，而且量子计算机很可能将永远依赖传统的数字计算机进行输入和输出。量子世界和经典物理世界之间需要某种接口，而数字计算机似乎注定要完成这项工作。相反，IBM 将量子计算机视为解决各种非常困难问题的重要数据中心加速器，例如药物发现、计算化学、粒子物理学、流体动力学、机器学习和物流优化。

IBM 的量子计算方法所需的低温意味着这些庞然大物可能仅限于数据中心。但正如计算机从大型机发展到台式机到笔记本电脑再到便携式电话一样，没有人知道 50 年后量子计算机会是什么样子。

欢迎来到勇敢的全新量子世界！

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