资本主义的市场竞争？IBM总监Jerry Chow 谈量子计算的未来

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人物介绍：Jerry M.Chow博士在耶鲁大学取得物理博士学位。担任IBM量子系统总监，其研究重点是面向容错量子计算的多量子比特系统。他主要为IBM的量子系统路线图制定战略，与硬件团队领导者一起设定目标研究领域，同时也确保最佳的客户价值。他与Jay Gambeta共同领导IBM Quantum Experience项目，首次通过云端部署量子计算机。

编辑丨慕一  编译/排版丨琳梦 卉可 璧园

深度好文：6500字丨15分钟阅读

经典计算机通过比特对数据进行编码，只有0和1两种状态。而量子计算机使用的是量子比特，以量子力学定律为基础，能同时存在0或1。它们既不是开关，也不是晶体管，而是一种具有量子力学特性的状态。量子计算机与经典计算机的设计思路迥异，具有较大的计算潜力。

近期，IBM宣布了未来10年的量子计算计划：新芯片、新计算机和新API。IBM量子系统总监Jerry Chow正计划构建一个量子计算机新纪元。Jerry称早期的量子计算机为“科研项目”，而现在他与IBM团队的目标是设计可落地的实用化产品。IBM于 2016 年首次在云端提供量子计算机，并将 System One 量子计算机交付给全球合作伙伴。关于Jerry及其团队如何进行这一为期10年的实用化产品规划，以及该领域将在产品不同层面取得怎样的重大突破，此次访谈中，Jerry将颠覆大众对计算机的认知，清晰地描绘量子计算机的新未来。

Q：IBM Quantum 近期有哪些成果产出？

A：我们在年度量子峰会上宣布了一款振奋人心的升级版量子处理器——IBM Quantum Heron，有 133 个量子比特，是我们迄今为止研发的性能最高的处理器，用户可以通过我们的云服务进行访问。

我们还发布了 IBM Quantum System Two，并将其作为一种用于扩展量子计算机应用的新架构。在IBM，我们乐于将我们的产品理念传达给行业中的每个人，让他们及时了解产品的进展情况。我们在几年前就首次推出了这一路线图，到目前为止已经实现了所有目标。我们正在将计划延伸到 2033 年，希望能真正实现大规模量子计算。

Q：量子计算的出现已有一段时间，但现在是否真正到达用量子计算机解决实际问题的阶段？

A：其实我们还没有到解决实际问题的阶段。但令人兴奋的是，2022年，我们推出了通用量子计算，该量子计算使用了 100 多个量子比特。2023年初，我们采用了一款名为“Eagle”的处理器，专注于探索一个特定的难题。这一问题是传统计算机使用暴力算法无法解决的，同时它也对现有的高性能计算中的经典近似算法提出了挑战。因此，量子计算机现在已成为一个重要的基准。在处理超过100个量子比特时，传统GPU或其他类型的经典计算机已无法精确模拟量子现象。未来将是一个量子与经典计算相辅相成、互为砥柱的局面。

Q：“实用化”是否代表一个分支点：使用量子计算机解决的问题开始变得与使用传统计算机解决的问题大有不同。

A：这确实是一个转折点。许多行业已经在使用高性能计算研究一些非常复杂的问题。作为一种新工具，量子为他们打开了全新的计算视角。

Q：IBM在量子领域布局了相当宏伟的计划。其他大公司，如微软、谷歌等也都在投资这个领域。这是否像是一场资本主义竞争？大家都在争先恐后地努力将首个产品推向市场？

A： 我认为现在是进入这个领域的绝佳时机。毕竟，能说自己从零开始打造一种全新的计算架构的机会可不多见。这种架构和传统的经典计算完全不同。我认为现在各个企业确实都在竞争，但从长远角度来看，这有助于推动整个行业的发展。

几十年来，IBM一直处于计算领域的前沿。制定路线图，并推动下一个重大的计算发展和创新，一直是IBM的天赋，在量子计算方面也不例外。从早期的理论提出开始，我们就已经在量子领域深耕了30多年。现在，在构建架构、构建系统、推出硬件、开发框架以使其可用和可访问方面，我们才真正开始收获成果。

Q：AWS与微软Azure、谷歌云的竞争非常激烈，他们试图从彼此手中夺取市场份额，并且通过创新来制造更好的产品，你们与其他公司的竞争也这样吗？

A：是的，量子领域正在不断发展。从开发人员、学生到财富榜前500强企业，对量子计算感兴趣的人员机构横跨各界。比如，2016年，我们第一次把一个非常简单的5量子比特计算机放在云端，这是量子计算研究方式的一个根本性转变。以前，必须是物理学家才能进行量子研究，但我们开发了一个完整的框架来进行实际部署，使其可编程。自首次推出以来，我们在过去七年里一直对其进行优化。截至目前，我们的平台已经拥有超过500,000名用户。

Q：如此看来，因其具备解决传统计算机难以解决某些问题的潜力，量子计算无疑将发展成为一个庞大的商业领域。然而，当前量子计算仍处于商业发展的初级阶段。尽管你们已在研发方面投入了大量资金，并制定了远大的计划，但离商业化是否还有很长的路要走？

A：我们正在努力挖掘量子计算的商业价值，与经典计算机相比，量子计算机是更具有竞争力的一个工具，其中还有许多值得探索的空间。它的许多价值是通过启发式算法、反复试验、解决某些特定问题而实现的。所以我们推出了100 个量子比特的通用规模系统，我们希望用户能够通过这个工具去寻找各个领域的业务优势。

Q：IBM是一家大公司，已有100多年的历史，量子计算是IBM目前正在深耕的最前沿的技术。那么IBM 量子团队的内部结构如何组建？它是如何运作的？

A：我们隶属于IBM研究院，致力于探索IBM量子计算领域的创新技术。IBM研究院在公司中扮演着至关重要的角色，不仅从事基础研究，还致力于将研究成果转化为实际产品。在IBM  Quantum，我们有机会开发量子计算产品，并将其部署至云端，实现与IBM  Cloud的无缝集成。

Q： IBM Quantum是如何构建的呢？有多少人？它是如何组织的？

A：我们团队有数百人。部分人员专注于研发实际硬件，通过在低温系统中冷却量子处理器，与控制电子设备通信，使这些处理器发挥作用。部分人员属于软件开发团队，为我们的产品提供服务。应用程序团队正在研究新算法，除此之外还有一些专注于业务发展方面的团队，他们与不同的客户合作，解决客户感兴趣的问题，并努力推动产品的实际应用。团队中还有一些人员负责运行量子加速器。我们还有咨询部门，该部门负责与客户合作，帮助客户了解量子计算，以更好地使用我们的系统。

Q：这些团队是并行的吗？每一个工作都向您汇报吗？

A：不，他们都向我们的副总裁Jay Gambetta报告。我负责的是系统部分，主要是处理器的包装及其运行方式。

我们团队有非常好的策略，也清楚我们的核心服务及产品是什么。我们所定的十年计划不仅对研发方面非常有用，而且对于客户、业务开发以及了解接下来的进展也非常有用。虽然该计划没有向公众展示很多细节，但它依旧可以作为大众的指导工具。

一台真正能发挥作用的量子计算机需要数千或数百万个量子比特。令人振奋的是，我们开发了一套新颖的纠错代码，可以大大减少资源数量。实际上可能需要数十万个量子比特，就可以构建一个特定大小的可容错的量子计算机，这也是十年计划的一部分。对于需要攻克的技术难题，我们也有初步想法。

Q：量子计算机的技术策略是将芯片连接在一起，形成更加模块化的系统，然后在它们周围放置控制电路。量子领域是否也存在与摩尔定律相似的定律呢？

A：我们已经打造了一个1,000 量子比特的处理器Condor。这一产品的目标是探索我们能在单个芯片上放置多少量子比特，以及能在整个系统中构建多少架构。目前我们已经克服了早期计划中的部分技术难关，为达到上千量子比特的水平铺平了道路。

Q：量子计算需要攻克的技术难点，是类似经典计算机“需要将晶体管密度加倍”这样的问题，还是不同的技术挑战？

A：是不同的技术挑战。比如：可以将多少量子比特放入单个芯片中？可以在系统内集成多少个？因此，我们需要不同的技术创新，这也是我们在未来几年内需要处理的事情。我们已经开始通过低温电缆测试两个包装之间的链接，计划将于明年进行演示。

IBM涉足半导体领域已有几十年。数年前，我们通过Eagle实现了100量子比特，这一难点在于如何与芯片中的100量子比特相连接。标准做法是使用更多层，但在这些超导量子电路中做到这一点并不容易，因为这可能会导致量子比特退相干。

但凭借我们的专业知识，我们找到了正确的材料和制造技术来实现这种类型多层布线的正确方法，所以说之前几十年的经验积累是很重要的。

Q：所以是如何制造133量子比特的量子计算芯片Heron呢？ 

A：我们依靠先进的封装技术，其中涉及多层超导金属来封装以及连接各种超导量子比特。Heron这一产品还使用了一种新颖的可调谐耦合器架构，使其拥有世界领先的双量子比特门性能。这都是在IBM的标准制造设施中完成的，封装该芯片并将其冷却。我们刚刚建立了如何正确实现高性能量子比特的系统性专业知识。

Q：什么是高性能量子比特？

A：构建量子比特有不同的方法。有人使用离子、原子、电子之类的东西，我们使用的是一种很像标准芯片内部的电路。这些电路可以以某种方式排列，并能够使用正确的材料。超导量子比特的谐振频率为5GHz。如果选错了材料，这些量子比特的寿命可能会非常短。在1999年我们首次开始构建超导量子比特时，超导量子比特的持续时间可能是2ns、5ns。但到今天，计算速度能达到接近1ms，从百μs到1ms，这已经是数量级上的大幅提升。在百微秒这个点上，我们能够执行之前讨论过的所有复杂操作，并推动实用化规模发展。所以，我们将增加量子比特寿命的那些“诀窍”归结为工程学、材料中产生损耗的核心部分，而这正是我们所擅长的领域。

Q：IBM、微软、谷歌的技术路线各不相同，您能否介绍一下整个行业的情况？都有哪些研究方法，以及它们的进展如何？

A：我们的竞争对手包括构建服务的平台、硬件等各个领域。我们可以利用一组简单的指标来比较量子处理器的性能。一是规模：能构建多少个可靠的量子比特？二是质量：量子比特执行操作和计算的寿命有多长？三是速度：量子处理器实际运行和解决问题的速度有多快？速度依赖于量子处理器和经典计算基础设施之间的相互作用，因为它们相互通信，没有经典计算机就无法控制量子计算机。因此，需要输入、输出数据，并以传统方式对其进行处理。

我们使用超导量子比特的方法可以有效提高这三个性能，将规模扩大到1,000 多个量子比特。Heron具有最好的门质量。关于速度，就执行时间而言，我们只有几微秒，而其他方法可能要慢1,000个数量级。

Q：行业中还有哪些其他方法？它们有什么优缺点？IBM在哪些方面处于领先地位？

A：超导量子比特和离子阱是目前在可用服务方面最突出的技术路线。离子阱的质量很好，具有巨大的性能，但速度较慢。原子与离子阱非常相似。它使用光镊子，将原子固定成小阵列，虽然得出一些具有创新性的结果，但其速度却不尽人意。

Q：与半导体技术类似吗？

A：计算平台、量子电路的生成方式存在共性，软件层可能相似，但实际的物理硬件却截然不同。

Q：你们是如何制定量子计算路线图的呢？

A：我们把某些类型的技术基础纳入下一代芯片和系统中。在制定时，我们一起讨论在软件堆栈或其他方面进行创新，共同设定计划。我们不想做短期的事情，而是希望能够做那些能够真正实现长期目标的事情。我们已经有了十年计划的框架，但还要接着完善。有很多细节需要处理，包括软件层、编译器层、控制电子层，当然还有处理器层需要处理的内容。

Q：对于一家大型上市公司来说，这是一笔很大的支出。你们是如何解决商业压力的？

A：我们的宗旨是推动实用量子计算的应用与发展。在量子计算领域耕耘二十载，如今，我们距离实现具有实际价值的量子计算机愈发临近。初始阶段，我们致力于构建云端开发者社区，如今，我们将其视为变革用户计算方法的重要工具。我们见证了高性能计算领域的蓬勃发展，以及超级计算机的进步，未来量子计算机将释放巨大的商业潜能。

Q：人工智能的需求正在飞速增长。消费者似乎对它们更为热衷，很多人都想要Nvidia H100 芯片。那么，量子系统在这个领域是否有前景呢？

A：人工智能领域的发展速度是惊人的，但量子计算机目前还没有真正的商品。我们将建造基于量子计算的超级计算机，它将非常擅长处理某些类型的任务。所以这一计算机的实际框架是人工智能计算集群。用户在普通计算机运行部分工作，还有一部分工作会被传送到云端、超大规模服务器，此时量子将发挥作用，这将是整个云访问环境的另一部分。用户的问题将被分解，一部分在经典计算上运行，另一部分可能在人工智能上运行，还有一部分将利用以量子为中心的超级计算进行运行。因此，我们还需要将所有这些连接在一起的混合云。

Q：在云端以量子为中心的超级计算机需要一个低温环境，这一条件是否很难达成？

A：我第一次在这个领域工作并攻读博士学位时，研究的就是超导量子比特。我们需要转动那些巨大的液氦罐，每三天填充一次，使它们保持低温。而现在，低温技术已经有了一些创新，打开开关就可以使它们持续运行，并将有效载荷保持在需要的温度。我们将继续发展我们的数据中心，目前已在波基普西建立了一个量子数据中心，那里托管着大部分系统，未来也将对其进行进一步扩展。

Q：白宫近期发布了一项有关人工智能的行政命令，在某些方面，人工智能被限制使用。随着量子快速发展，人们担心有一天AES加密会被量子破解，然后世界就会分崩离析。您是否考虑到：构建云系统时，需要制定规则，同时确保控制措施到位？

A：在加密方面，存在量子安全加密标准。我们的使命是将有用的量子计算带给世界，同时保证量子安全。NIST 已经批准了一些标准，这些标准将推动整个行业，包括银行和商业的发展。然而，并不是每个人家里都有高性能计算机。过早地采取太多保障措施也许会扼杀进步、扼杀早期的发展。

Q： 您在构思发展路线图和构建人工智能系统时，是否已充分探讨了加速发展所带来的诸多益处？

A：我们在计算峰会上讨论了IBM的Watsonx，并引入了一些GenAI 方法来帮助用户在Qiskit中进行编程。我们构建了一个引擎来帮助用户编写我们所要预览的代码。将问题转化为可以在物理硬件上运行的正确电路，这是一项非常具有挑战性的任务。我们使用人工智能方法来找到更优化的路径。事实上，人工智能确实影响了我们加速量子计算的方式，另一方面，我们也正在研究量子如何真正促进人工智能分类。所以它们在某种程度上是联系在一起的。

Q：一年前还没 ChatGPT，而现在人工智能无处不在。人工智能系统需求的爆炸式增长是否对您的计划有影响？

A：这确实是一项创新，我们希望将其融入到我们想要推动的产品发展中。如果人们的关注点更多地集中在人工智能上，对量子稍微减少点关注度，也未尝不是一件好事。

Q：您的合作伙伴和潜在用户对什么最感兴趣？

A：能源部、橡树岭国家实验室等高性能计算领域的重要机构对我们的平台表现出了高度关注。长期合作伙伴波音公司正致力于研究复杂问题，如复合材料和材料层的设计以及优化排列。这些问题涉及大量变量，经典计算机难以应对。我们与其携手研究将这些难题映射到量子领域的解决方案。此外，金融服务业的多家机构亦在探索利用量子计算进行投资组合优化的可能性。

Q：你们已经拥有了自己的云系统，还在大学校园中放置了System One。这台计算机是如何运作的？

A：它实际上是部署在客户端的托管服务。2023年初，我们在俄亥俄州的克利夫兰诊所部署了一个。有趣的是，它被部署在自助餐厅，人们在它周围喝咖啡、吃午饭。

你可以把它看作是一个独立的本地托管服务，研究人员以及其他合作机构可以围绕该服务构建网络和生态系统。我们具备领先的数据中心设施，以及可供云端访问的系统，此外，还有诸多有助于促进区域生态系统发展的要素。预计明年，我们将在德国启用一座欧洲数据中心，从而实现本地化信息处理，无需再进行跨境传输。在用户数据管理等方面，我们的运营策略具备较高的灵活性。

Q：随着System Two的推出，是否有System One的客户会后悔没有等等System Two？System Two是与量子超级计算机一起工作吗？是否会有升级周期？

A：实际上，System One也随着时间的推移进行了升级。我们在日本与东京大学合作的系统已升级为127量子比特的Eagle处理器。System One的伟大之处在于它证明了我们几乎可以将系统放在任何地方，例如自助餐厅——即使不在物理实验室也能发挥作用。

（图片来源：网络）

Q：在哪里可以看到System One量子计算机？有标志吗？

A：像咖啡厅的玻璃盒里就是一个温度低达15毫开尔文的量子处理器。我们与供应商Goppion 合作，它为我们的系统构建了外壳。为了在数据中心环境中以模块化方式实现可扩展性，我们设计了System Two。这一产品新增了处理器数量、低温冷却环境、控制电子设备，以及与量子计算机接口的经典计算量。

Q：对于正密切关注超级计算机发展的大众，他们该如何学习这一新领域？

A：了解量子计算机并不难，借助一整套资源就可以对量子计算机进行编程。在10年计划中，我们也将构建基于量子的技术生态，并推动新一代芯片和系统的发展，对于有兴趣学习并使用量子计算机的人来说，这是不可多得的成长机会。要建立一个完整的行业，并将其构建为一个与当今最高性能计算机无缝协作的计算机平台，这将需要大量的人才，我们希望培养更多量子计算开发者，也希望更多开发者可以关注并参与到其中。

特此说明：量子前哨翻译此文仅作信息传递和参考，并不意味着同意此文中的观点与数据。

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