IBM 發布首個獨立商用量子計算機

溫曉君

在今年初舉辦的 2019 年國際消費類電子產品展覽會（CES）上，IBM公司展示了一款量子計算機原理樣機 IBM Q System One。IBM 稱它是世界上首個專為科學和商業用途設計的集成通用近似量子計算機，已執行超過 700 萬個量子程序，研究結果被 120多篇學術論文引用。IBM 同時還宣布將于年內在紐約波基浦西市（Poughkeepsie）開設首個 IBM Q 量子計算中心。

IBM Q 是 IBM 公司在量子信息科學和計算機技術領域的最新成果，盡管其商業化用途和計算效率尚待確認，但它的問世預示著量子計算機向著商用化方向邁出了標志性的一步。

量子計算引發計算機科學顛覆式變革。量子計算是利用量子態來編碼、處理和存儲信息的一類交叉理論信息技術的總稱。量子特有的多維性、不可分割性和不可復制性，使其能夠突破硅基半導體的物理極限和運算速度極限，通過大量量子位的受控演化完成超量并行計算任務，在密鑰破解、金融計算等方面具備巨大的發展潛力和應用前景。目前世界上最先進的 RSA 密碼，若用“天河”“太湖之光”等超級計算機破解需要數十萬年時間，而用量子計算機破解將僅需數個小時。因此主要國家和科技巨頭都對量子計算抱有極大期望。

量子計算成為科技巨頭追逐角力的新高地。目前，量子計算機的硬件實現形式主要有超導、半導體、離子阱三種。IBM、谷歌以及加拿大 D-Wave 公司（已被谷歌收購）采用的是超導回路方案，英特爾、微軟和貝爾實驗室使用半導體方案，初創企業 IonQ公司選擇的是離子阱方案。谷歌與加州大學合作，于 2016 年實現了 9 位超導量子比特的高精度操控;IBM 于 2017 年 11 月宣布實現了 20 位量子比特的量子計算機;2018 年 CES 上，英特爾公司推出了 49 量子比特的測試芯片“Tangle Lake”;2018 年 3 月谷歌推出了 72 量子比特的計算機;2018 年 12 月 11 日，IonQ 公布兩個離子阱量子計算機，具有 160 個存儲量子比特和 79 個量子比特。

IBM Q 計算服務系統的前身是 IBM 在 2016 年面向全社會開放的 IBM Q Experience 系統，可支持 5 量子比特計算云服務，擁有超過十萬名用戶。計算云服務，擁有超過十萬名用戶。此次展出的 IBM Q 原型機采用了模塊化、自定義組件的集成式設計，在穩定性、抗干擾性方面進行了優化，使得超導方案量子計算機能夠第一次走出實驗室，面向世人。

云化服務為量子計算機商業化加速開辟捷徑。量子計算對超低溫、超穩定性環境的苛刻要求決定了其商業化進程不會從消費端起步，短期內不可能有類似 PC 的個人終端出現。這也是量子計算長期停留在實驗室層面被束之高閣的原因。隨著量子穩定控制技術的進步，量子計算商業化將借鑒超算發展的模式，最先涉足大型商業計算和科學計算領域。平臺化的量子計算云服務將成為量子計算機商用的重要趨勢，有望大幅縮短量子信息產業化進程。

美國在量子信息科學領域的戰略投入對我國具有重要警示和借鑒意義。美國將未來高科技的競爭優勢押寶在量子計算方面，這與其在信息時代掌握最核心的計算技術分不開。從 1995 年美國首次驗證量子邏輯門的可實現性開始，美國政府投入了大量的國家資源組織研發。目前，已經在通用量子計算、專用量子計算、量子計算機、量子計算軟件等領域完成了體系化戰略布局，在量子相關的學科建設和人才梯隊培養方面奠定了深厚的基礎，逼近技術突破的前夜。2018 年 12 月 21 日，美國總統特朗普簽署了《國家量子計劃法案》，計劃未來 10 年內向量子研究注入 12 億美元資金。美國在量子信息科學領域的戰略投入，將極有可能再次構筑未來百年信息技術核心競爭壁壘，值得我國有關機構高度重視。