IBM发布超1000个量子比特的量子计算机

按：应邀为墨子沙龙撰写的科普评述

2023年12月4日，美国IBM公司发布了包含1121个量子比特的Condor（秃鹰）超导量子处理器，引发广泛关注。按照容错量子计算的阈值定理，如果IBM能在1000个量子比特的系统中保持错误率在阈值以下，利用表面码纠错，可以实现一个容错的逻辑量子比特。表面码是目前容错量子计算研究中主流的纠错编码方式，纠错阈值为1%，比人们最早发现的稳定子纠错编码需要万分之一的纠错阈值提升2个数量级。付出的代价是编码一个逻辑量子比特所需要的物理量子比特数目从5个提升到1000个。秃鹰量子处理器的性能并未公布，应该还未超越纠错阈值。

为提升规模化的能力，同时避免量子比特之间的串扰，秃鹰处理器牺牲了量子处理器（QPU）的连通性，从而削弱了其计算能力。连通性与量子处理器中每个量子比特能直接耦合邻近量子比特的数目有关。直接耦合的量子比特数越多，连通性越好，量子处理器的计算能力也越好。如果要进一步提升量子比特的数目到数千个，还需使用速度更慢的量子接口来连接不同的量子处理器，甚至是通过电缆来连接不同制冷机之间的QPU。需要指出的是，这些技术虽然能提升量子比特的数目，但同时也降低了系统整体工作的频率，以及QPU芯片间信息传输的可靠性，最终能否提升QPU的运算能力，还需要实验数据支撑。

苍鹭量子处理器性能

在发布秃鹰量子处理器的同时，IBM还发布了性能更高，但包含量子比特数只有133个的Heron（苍鹭）量子处理器。苍鹭量子处理器的性能也公布了，如上图所示：苍鹭量子处理器的单量子比特量子门错误率中位数为万分之2.718，双量子比特控制Z门错误率中位数为千分之3.18。在超过100个量子比特的超导量子计算系统中，仍能保持如此低的错误率，IBM的技术确实处于世界领先。

量子硬件进步的同时，在量子纠错码的设计方面，也有新的理论突破。按照IBM今年的一篇论文估计，利用新型的量子低密度奇偶校验码(quantum low-density parity checkcode，QLDPC)，有望将容错量子计算所需物理量子比特数降低一个量级以上。不同于需要1000个物理比特实现一个逻辑量子比特的表面纠错码，利用QLDPC校验码只需要100个物理量子比特就够了。作为近年来新出现的量子纠错码，相比表面码，QLDPC校验码所需物理量子比特资源的消耗降低一个量级以上，同时维持逻辑量子比特的纠错阈值基本不变，付出的代价是需要在量子比特之间引入大量的非紧邻的耦合。这对超导量子计算系统的实际验证带来极大的挑战。若要按照此技术路线实现容错量子计算，量子处理器硬件电路设计需要推倒重来，量子计算发展路线图也要随之调整。事实上，根据IBM公司的新闻稿，我们确实能看到路线图重绘的迹象。

2023年IBM量子计算路线图

我们先简要回顾一下IBM公司以前曾发布过的量子计算发展路线图。2020年，IBM公司发布了第一张路线图，预计将于 2023 年发布1121个量子比特的秃鹰量子处理器。2022年，IBM公司更新了路线图，计划创建新的量子处理器、软件和服务。在此路线图中，IBM计划于2023 年创建出133 量子比特的苍鹭量子处理器。IBM公司能按路线图如期发布秃鹰量子处理器和苍鹭量子处理器，充分体现了他们非凡的技术实力和规划能力。

在此次发布新量子处理器的同时，IBM公司又一次更新了量子计算路线图，如上图所示。与上一版路线图相比，本路线图技术参数细节更具体，也更具有可行性：不仅指出了量子比特数目，还标明了可靠量子逻辑门数目。2028年之前的参数指标非常具体：量子处理器中量子比特数维持在156个，可靠量子门次数提升到15000，把7个处理器链接起来，可实现1092个量子比特的处理器。2029年及以后的参数指标比较模糊：可实现超过 108 个量子门和超过200个量子比特的处理器。短短一年时间，可靠量子门数目从15000提升到 108 ，4个数量级的跨越如何实现？IBM公司的新闻稿中并没有提供技术细节。在笔者看来，IBM必须要发展量子低密度奇偶校验码等新型量子纠错技术，大幅度降低量子逻辑门的错误率，同时减少对物理量子比特的消耗，才有成功的希望。

从上图还可以看到，从2023年开始5年内，IBM量子计算路线图核心是在维持量子比特数目在156个的同时，不断提升量子门的可靠性。只有这项指标达到，容错量子计算才有希望。

我国在这方面的工作这两年也可圈可点。中科大、浙大、清华、南方科大和北京量子院等单位超导量子计算团队，各自独立设计并制备了量子比特数50到100个的量子处理器，同时对瞄准量子门保真度和量子态测量保真度等关键指标进行攻关，量子门的错误率已经降低到0.5%左右。

实现纠错码必须要考虑一个关键参数叫码距，它等于通过纠错码能够纠正物理量子比特中发生错误个数的两倍加1。所以要让纠错码发挥作用，其码距至少得为3。中科大的团队瞄准表面码纠错开展攻关，在2022年7月首次实现了码距d=3的表面码纠错码，并展示了表面码的探错和纠错过程。2023年11月他们又基于表面码实现了快速、高保真的逻辑魔态制备。进行量子纠错操作时也可能带来额外错误，导致得不偿失。要使量子纠错产生正向收益，必须让量子纠错后的逻辑量子比特相干寿命超越没有纠错时物理量子比特的相干寿命。做到这一点，就被称为超过盈亏平衡点。2023年3月，南方科技大学深圳量子科学与工程研究院联合福州大学、清华大学等团队，通过实时重复的量子纠错技术，延长了逻辑量子比特的相干寿命达到 805 微秒，超过了该系统中不纠错情况下最好的物理比特的相干寿命（694 微秒），超过了盈亏平衡点。

这些工作为通用和可扩展的容错量子计算奠定了重要基础。按照这个趋势发展，到2030年之前我国也有希望实现容错量子计算。