IBM于11月15日发布的最新量子计算芯片达成了一个里程碑：它包含127个量子比特(qubits)，使其成为第一个量子比特达到3位数的此类设备。但这一成就只是由数十亿美元投资推动的激进议程的一步。

IBM实验量子计算小组负责人Jerry Chow表示，“Eagle”芯片是IBM明年创建433量子比特处理器的打基础的一步，而且到2023年将有1121个量子比特的Condor量子处理器。这些目标与几十年来电子行业为使硅芯片小型化而设定的摩尔定理目标相呼应。

包括谷歌和霍尼韦尔等在内的科技巨头以及有大量充足资金的初创公司也有类似雄心勃勃的计划。他们的目标是使量子计算机能够执行某些任务，而这些任务即使是使用最强大的经典超级计算机也无法完成。

通过利用量子物理定律来处理二进制信息，Eagle芯片等量子计算电路已经可以进行经典超级计算机无法轻松模拟的计算。谷歌曾在2019年报告了这种“量子优势”，其使用了像IBM一样带有超导回路的量子比特。去年，中国科学技术大学的一个团队报告称，他们使用光学量子比特“九章”量子计算原型机实现了量子优势，今年，该大学用超导量子比特“祖冲之号”做了同样的事情。

但研究人员警告说，这些机器被赋予的任务是人为的。共同领导了“九章”量子计算原型机的中科大物理学家陆朝阳说：“目前所处的技术水平是，还没有任何实验可证明在实际任务中获得量子优势。”解决现实世界的问题，例如使用量子化学模拟药物分子或材料，将需要量子计算机变得更强大。

澳大利亚新南威尔士大学的量子工程师Andrew Dzurak认为，借助IBM计划中的Condor等1000+量子比特芯片，该技术可能会开始证明其价值。他说：“希望在一千到百万量子比特范围内使用量子计算机可以解决一些有用甚至具有商业价值的问题。但要真正改变计算范式，将需要数百万个物理量子比特。”

芯片挑战

Eagle芯片的量子比特数量几乎是IBM之前的旗舰量子电路65量子比特“Hummingbird”量子芯片的两倍。Jerry Chow表示，数量的增加需要团队解决几个关键工程问题。为了让每个量子比特能够与其他几个量子比特交互，研究人员选择了一种排列，其中每个量子比特都与六边形网格上的两个或三个临近量子比特相连。为了允许对每个量子比特进行单独控制，而且不会出现无法处理的电线缠结，该团队将电线和其他组件放置在多个堆叠层上。Chow说，为了解决这个“封装”问题，研究人员借鉴了传统芯片中的3D架构经验。他补充说，找到在超导量子比特运行所需的超低温下表现良好的材料也很重要。

但是量子电路的处理能力不仅仅是它有多少量子比特。它还取决于它们的运行速度以及对可能扰乱计算的错误(例如由于随机波动)的抵抗力，。Chow表示，超导量子比特在所有这些方面仍有改进的余地。

处理错误尤其困难，因为物理定律阻止量子计算机使用经典机器的纠错方法，这种方法通常是需要对每个比特保留多个副本。

研究人员另寻它法，他们利用许多物理量子比特的复杂排列去构建“逻辑量子比特”，这种逻辑量子比特几乎所有的错误都可以被识别和纠正。Dzurak说，迄今为止提出的方案通常要求每个逻辑量子比特需要大约1000个物理量子比特来辅助，但这个比例取决于物理量子比特的内在保真度(即抗错性)。

纠正错误

构建量子计算机的其他一些方法希望从具有较低固有错误率的量子比特中受益。这是俘获离子量子比特的一个潜在优势，正如IonQ公司所做的那样，该公司是从马里兰大学帕克分校的研究中分离出来，该公司上个月筹集了超过6亿美元，这笔交易使该公司估值接近20亿美元，成并为了第一个在纽约证券交易所公开交易纯量子计算公司。加州伯克利大学的初创公司Rigetti Computing也将在今年上市，估值为15亿美元。

IonQ联合创始人、马里兰大学物理学家Christopher Monroe和他的同事们，在上个月报告了一个仅由13个俘获离子量子比特组成的容错逻辑量子比特。尽管Dzurak说它的纠错程度是“距离有用的量子计算机所需的东西还有很长的路要走，它需要远低于百万分之一的逻辑错误率”。

与此同时，谷歌团队使用21个超导量子比特实现了类似的逻辑错误率。虽然是一个重要的结果，但Dzurak说仍远未达到破解纠错问题所需的程度。

但Chow告诫不要过分强调获得逻辑量子比特。他说：“我们不会遇到这样的情况：我们拨动开关并说‘纠错已开启’。提高量子比特的性能比将所有东西除以一千来制作逻辑量子比特更重要。”

信号增强

IBM和其他公司正试图详细了解电路中与误差相关的噪声，然后将其提取出来，这就像消除噪声以提高声学中的信噪比一样。

Chow表示，除了Condor级设备之外，电路设计可能会变得模块化，多个芯片通过量子网络连接。目前尚不清楚如何最好地做到这一点，也许使用目前用于数据输入和输出的超导量子比特的微波频率信号，或者可能通过将量子信息转换为基于光的信号。Chow说“这是一个全新的研究领域”。

许多研究人员认为，量子计算机的第一个现实应用可能是在相对专业的领域，例如分子和材料的模拟、机器学习和金融等行业的优化问题。为了达到那个阶段，量子信息理论家John Preskill表示：“我预计我们会看到性能的逐步提高，而不是突然的飞跃。在我们运行有用的应用之前，这可能是一个漫长的过程。”（编译:Qtech）