2022年6月，好意思国橡树岭国度实验室发布了Frontier，这是寰球最巨大的超等诡计机，每秒可实行百亿亿次诡计。可是，即使是Frontier也可能遥远无法在合理的期间内处理某些诡计问题。

其中一些问题就像将一个大数分解为质数相通肤浅。还有一些则是现在寰球面对的最迫切的问题之一，比如对复杂分子快速建模以开发调养新疾病的药物，或者开发用于碳拿获或电板的更高效的材料。

不外，改日十年里，瞻望将会出现一种与以往任何容貌王人不同的全新超等诡计范式。它不仅有可能处理这些问题，而且咱们还但愿它能以更低的资本、更少的占用空间、更短的期间和更少的动力来作念到这极少。这种超等诡计新范式将包含一种全新的诡计架构，模拟原子级物资的奇异看成——量子诡计。

几十年来，量子诡计机一直难以达到生意可行水平。驱动这些诡计机的量子看成对环境噪声极为明锐，况且难以扩张到充足大的机器上来完成有用的诡计。可是，曩昔10年获得了几项迫切进展，包括硬件的完善和噪声处理的表面性高出。这些高出使量子诡计机至少在某些特定诡计任务中终于达到了其敌手经典诡计机难以达到的性能水平。

这是咱们第一次在IBM看到一条通向实用量子诡计机的说念路，咱们不错初始念念象改日的诡计会是什么样的。咱们并不期待量子诡计会取代经典诡计。相悖，量子诡计机和经典诡计机不错融合，共同终了仅靠一方无法终了的诡计。寰球多个超等诡计机设施照旧在权略将量子诡计硬件纳入其系统，包括德国的Jupiter、日本的富岳，以及波兰的波兹南超等诡计和网罗中心（PSNC）。诚然这一愿景之前曾被称为“量子-经典混算诡计”，也可能有其他称呼，但咱们将称之为“以量子为中心的超等诡计”。

咱们对于以量子为中心的超等诡计机的愿景中枢是量子硬件，咱们称之为“量子处理单位”（QPU）。量子处理单位之是以在某些任务中比经典处理单位涌现得更好，其根源在于一个所有不同的操作旨趣，一个根植于量子力学物理的操作旨趣。

在法式或者经典诡计模子中，咱们不错将所有信息简化为二进制数字字符串，即比特（bit），它们的值不错是0或1。咱们不错使用肤浅的逻辑门（如与门、或门、非门、与非门）来处理这些信息，将其一次作用于一个或两个比特。经典诡计机的“情景”由所有比特的情景决定。因此，若是你有N个比特，那么诡计机不错处于2N种情景中的一种。

不外，量子诡计机在诡计经过中不错造访更丰富的情景集。量子诡计机也有比特，但与0和1不同，它的量子比特（qubit）通过一种称为“相通”的量子特质来默示为0、1或二者的线性组合。数字诡计机只可处于2N种情景之一，而量子诡计机在诡计经过中不错同期处于很多逻辑情景。而且，不同量子比特的相通态不错通过“纠缠”这种量子特质以一种基本样式相互关联。在诡计闭幕时，根据量子算法运行经过中生成的概率选拔，量子比特只会呈现一种情景。

现在并莫得较着的左证标明这种诡计范式是若何杰出经典诡计的。但1994年，麻省理工学院的数学家彼得?肖尔（Peter Shor）发现了一种算法，专揽量子诡计范式，它将大数分解为质因数的速率指数级快于最好的经典算法。两年后，洛夫?格罗弗（Lov Grover）发现了一种大略比经典算法更快地在数据库中找到特定条宗旨量子算法。

也许最迫切的是，由于量子诡计机受命的是量子力学定律，它们才是模拟咱们全国中基本量子风景（如用于药物开发或材料想象的分子间相互作用）的理念念器具。

在打造以量子为中心的超等诡计机之前，咱们必须确保它大略作念一些有用的事。要构建一个充足巨大的量子处理单位，需要打造大略重现反直观量子看成的硬件。

在IBM，量子诡计的基本构建块——量子比特——由超导元件组成。每个物理量子比特由两块超导板组成，与名为约瑟夫森结的元件连结。超导板充任电容器，约瑟夫森结充任一种畸形的无损、非线性电感器。

流经约瑟夫森结的电流被量子化，即固定为翻脸值。约瑟夫森结可确保其中只好两个值（或它们的相通）是践诺可造访的。量子比特被编码为两个电流电平，一个代表0，另一个代表1。但如前所述，量子比特也不错存在于0和1情景的相通。

由于超导体需要低温来保管超导性，量子比特过头部分戒指电路会被放手在一个叫作“稀释制冷机”的畸形液氦制冷机中。

咱们办法过量子辅导（频频称为“门”）来改动量子比特的情景和耦合量子比特。这些辅导是一系列畸形想象的微波波形。一个量子处理单位包括所有进展收受一组量子辅导（称为量子电路）并复返一个由二进制字符串默示的单一输出的硬件。量子处理单位涵盖了量子比特和信号放大元件、戒指电子器件以及实行各式任务（诸如在内存中保存辅导、蓄积和分离信号与噪声，以及生成单一的二进制输出等）所需的经典诡计。咱们可将量子比特、读数共振器、输出滤波器和量子总线等元件蚀刻到硅芯片上的超导层中。

不外，要将量子比特戒指在超明锐的量子水平如实是一项挑战。外部噪声、电子器件产生的噪声和不同量子比特之间戒指信号的串扰王人会碎裂量子比特脆弱的量子特质。要终了咱们设念念的有用的、以量子为中心的超等诡计机，戒指这些噪声源至关迫切。

到当前为止，还莫得东说念主明确展示过量子上风，即量子诡计机在实行现实全国运筹帷幄任务上杰出了最好的经典诡计机。展示的确的量子上风将符号着一个新的诡计时期的到来，以前辣手的任务将理丝益棼。

在咱们终了这一宏伟蓝图之前，咱们需要先镌汰策画，宽恕量子实用性。量子实用性是指量子硬件杰出量子电路暴力经典诡计的材干，也便是指量子硬件在进行量子诡计时优于传统诡计机的材干。

诚然这可能听起来并不绝顶，但却是终了量子上风的必要一步。连年来，量子界终于走到了这个门槛。2023年，咱们奏效展示了量子处理单位的量子实用性，这让咱们深信，咱们的量子硬件照旧充足先进，不错集成到以量子为中心的超等诡计机中了。这一里程碑的终了是包括硬件和算法矫正在内的多项高出共同作用的闭幕。

自2019年以来，咱们一直在衔尾半导体制造方面的期间高出，致力于将3D集成期间引入咱们的芯片。咱们也因此得以从位于量子比特平面下方的戒指芯片造访量子比特，从而减少了芯片上的布线，这些布线是潜在的噪声源。此外，咱们还引入了读数复用期间，从而大略通过一根线造访多个量子比特的信息，大大减少了需要放手在稀释制冷机中的硬件数目。

2023年，咱们使用了名为“可调耦合器”的组件，对硬件实施了一种新次序来实行量子门，即改动量子比特值的法式要领。以前，咱们是通过制起义映不同频率的量子比特来忽闪串扰的，这么可使它们诀别其他量子比特的微波脉冲作念出反应。但这导致了量子比特之间进行必要通讯相称费事，也镌汰了处理器的速率。有了可调耦合器，咱们不再需要针对特定频率制造量子比特。相悖，咱们引入了一种“开关”，专揽磁场来决定两个量子比特之间是否应该通讯。闭幕便是，咱们险些摈弃了量子比特之间的串扰空虚，从而得以更快、更可靠地运行量子门。

跟着硬件的矫正，咱们还阐述不错使用空虚缓解算法处理一些噪声。空虚缓解不错通过多种样式完成。在咱们的案例中，AG百家乐到底是真是假咱们会运行量子法式，分析系统中的噪声对法式输出的影响，然后树立一个噪声模子。接下来，不错使用经典诡计和咱们的噪声模子来归附无噪声闭幕。因此，咱们的量子诡计机的硬件和软件环境包括大略实行空虚缓解、遏制，以及改日进行纠错的经典诡计。

除了欺压完善硬件以外，咱们还与加州大学伯克利分校融合，在2023年说明，咱们的127量子比特量子芯片Eagle的电路运行材干杰出了暴力经典模拟（即经典诡计机为运行电路而精准模拟量子诡计机的次序）的材干，终分解量子实用性。之是以这么作念，是为了处理一个的确的凝华态物理问题，即为一个与咱们处理器的量子比特布局结构肖似的简化原子系统诡计一个名为“磁化”的属性值。

咱们大略说明，在不专揽量子纠错这一量子诡计表面中最巨大规模的情况下，咱们的量子硬件材干杰出了暴力经典模拟的材干。

空虚缓解是在诡计之后处理噪声问题，量子纠错则与之不同，它不错在诡计经过中出现噪声时便摈弃噪声。而且它不错处理的噪声类型更广，不需要先细目特定的噪声模子。此外，空虚缓解的扩张材干会跟着量子电路变复杂而受到王法，但纠错仍可在大范围内有用职责。

不外，量子纠错的代价也很大，它需要更巨额子比特、连气儿和量子门。每一个要诡计的量子比特可能需要更多的量子比特来纠错。凭借在硬件矫正和寻找更好的纠错代码方面获得的最新进展，咱们不错畅念念一种经过纠错、不亏负这番勤快的超等诡计机。

量子纠错决策比传统二进制诡计机的纠错更复杂。要让这些量子决策要涌现作用，硬件空虚率必须低于某个阈值。自量子纠错出身以来，表面学家们想象出了具有更宽松阈值的新代码，而量子诡计机工程师则开发了性能更好的系统。但迄今为止，还莫得大略专揽纠错来实行大限制诡计的量子诡计机。

同期，纠错表面也在欺压发展。受莫斯科国立大学物理学家帕维尔?潘特列耶夫（Pavel Panteleev）和格列布?卡拉切夫（Gleb Kalachev）一项有远景的发现的启发，咱们决定为该系统寻找一种新式纠错代码。他们在2021年发表的论文中说明，“好代码”在表面上是存在的，这些代码为实行纠错所需的疏淡量子比特在数目上更故意。

这导致了对一种名为“量子低密度奇偶校验码”（qLDPC码）的代码族的究诘出现了爆炸性增长。2024岁首，咱们团队发布了一种qLDPC码，其空虚阈值高到咱们足以在近期的量子诡计机上终了它；它所需的量子比特之间的连气儿量仅略高于现存硬件可提供的连气儿量。这种代码仅需以往次序所需量子比特数目的十分之一，便能终了交流水平的纠错。

有了这些表面高出，咱们不错畅念念一种在实验可及限制上经过纠错的量子诡计机，前提是咱们不错将充足的量子处理材干连气儿在一说念，并尽可能地专揽经典诡计。

要专揽纠错，并达到充足大的限制来专揽量子诡计机处理与东说念主类运筹帷幄的问题，咱们需要构建更大的量子处理单位，或者将多个量子处理单位连气儿在一说念。咱们还需要将经典诡计与量子系统衔尾起来。

2023年，咱们推出了一款名为IBM 量子系统二号的机器，咱们不错用它初始在可扩张的量子诡计系统中对空虚缓解和纠错进行原型开发。IBM量子系统二号依赖于更大的模块化低温恒温器，因此咱们不错借助短距离互连将多个量子处理器放入归拢台制冷机中，然后将多台制冷机组合成一个更大的系统，这有点像在传统超等诡计机中增多更多机架。

IBM量子系统二号发布时，咱们还详实先容了终了愿景的十年权略。蹊径图中的大部分早期硬件职责王人与互连运筹帷幄。当前，咱们仍在开发将量子芯片连气儿成更大芯片（肖似乐高积木）的互连，咱们称之为m-耦合器，况且还在开发在距离较远的芯片之间传输量子信息的互连，称为l-耦合器。咱们但愿在本年年底之前制造出m-耦合器和l-耦合器的原型。此外，根据咱们新开发的纠错代码的条件，咱们还在开发大略连气儿归拢芯片上距离较远（非相邻）的量子比特的片上耦合器。咱们权略在2026年年底之前委用这种片上耦合器。同期，咱们将矫正空虚缓解期间，以便在2028年前跨7块并行量子芯片运行一个量子法式，其中每块芯片大略在空虚出现之前在156个量子比特上准如实行多达1.5万次门操作。

咱们也在连续推动纠错职责。咱们的表面学家一直在寻找通过更少疏淡量子比特、更高空虚阈值来终了更强纠错材干的代码。咱们还必须细目最好次序，以便操作编码到纠错代码中的信息，然后及时解码这些信息。咱们但愿在2028年年底之前展示这些效果。这么咱们就不错在2029年推出第一款集成了空虚缓解和纠错的量子诡计机：大略在200个量子比特上实行高达1亿次门操作，直至出现空虚。2033年，跟着纠错期间的进一步发展，咱们将大略在2000个量子比特上运行10亿次门操作。

诚然空虚缓解和纠错可毁掉通往全尺寸量子诡计说念路上的一个主要阻碍，但咱们以为，这不及以处理最大、最有价值的问题。因此，咱们还引入了一种新的算法运行样式，其中衔尾了多个量子电路和散播式经典诡计，将造成以量子为中心的超等诡计机。

很多东说念主以为“量子诡计机”是单一的量子处理单位，可独自运行法式，并在数百万个物理量子比特上实行数十亿次操作。相悖，咱们设念念的是包含多个量子处理单位的诡计机，与散播式经典诡计机并走运行量子电路。

最近的职责展示了将经典诡计与量子处理衔尾使用以更高效地运行量子电路的期间。这些期间被称为“电路编织”（circuit knitting），可将单一的量子诡计问题分解为多个量子诡计问题，然后在量子处理器上并走运行。之后，量子诡计机和经典诡计契机衔尾电路闭幕，造成最终谜底。

另一项期间则会使用经典诡计机来运行除中枢的、内在量子部分以外的所有诡计。咱们深信，恰是这终末一个愿景将领先终了量子上风。

因此，量子诡计机不仅包括一个量子处理器、戒指电子器件和稀释制冷机，还包括实行纠错和空虚缓解所需的经典处理。

诚然咱们尚未制造出全面集成、以量子为中心的超等诡计机，但咱们正在通过IBM量子系统二号和Qiskit（咱们的全栈量子诡计软件，用于运行大限制量子职责负载）来奠定基础。咱们正在打造大略料理电路编织并在需要时提供适合诡计资源的中间开拓。下一步，咱们将推动硬件和软件基础设施发展锻真金不怕火，使量子诡计和经典诡计大略相互扩张，完成杰出各自材干的任务。

今天的量子诡计机已成为一种科学器具，大略运行杰出暴力经典模拟材干的法式，至少在模拟某些量子系统时是这么。但是，咱们必须连续完善量子和经典基础设施，使二者的衔尾大略加速速率处理与东说念主类运筹帷幄的问题。因此，咱们但愿更无为的诡计界大略连续究诘概述了电路编织、并行量子电路和空虚缓解的新算法，从而找到不错在短期内从量子论获益的用例。

咱们期待有一天，寰球500强超等诡计机名单中会出现以量子处理器为中枢的机器。

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