這是 IBM 的量子電腦原型,你完全找不到主機板跟記憶體放在哪裡

在2019年度國際消費電子展(CES)上,IBM展示了其最新的量子電腦IBM Q System One的模型。其座落在2.3公尺米高的玻璃框架內,看起來就像是一件藝術品。

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去年的這個時候,IBM為國際消費電子展推出了一台50量子位元的量子電腦。當時這台機器的外觀格外引人注目:錯綜複雜的管線讓這部機器看起來就像是一盞蒸汽龐克題材的吊燈。因為整套系統太過複雜,IBM直接把笨重的冷卻和電源管理部件留在了家裡。整個系統位於紐約的研究實驗室,占滿了一個大房間。IBM量子生態系統與策略副總裁鮑伯‧蘇特爾(Bob Sutor)說,這台機器功能齊全但設計並不完美。

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「想像去掉閃亮外殼的一輛車,」 蘇特表示,「然後把電池移到一邊。電子設備並沒有緊密整合在動力傳統系統中,而是被拆成碎片,然後散佈在汽車周圍。從功能上說這輛車可能仍然有用。但就整體而言,其設計並不好,對嗎?」

大約從一年前開始,IBM開始做一個完全整合的系統:它是模組化的,易於升級,並針對量子運算進行了優化。時至2019年度國際消費電子展,IBM揭開了其量子電腦IBM Q System One的神祕面紗。

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IBM Q System One所有的元件都安置在一個2.7公尺高的立方體中,而這個立方體由半英吋厚的玻璃製成。其前後兩扇「門」可以同時打開,以便於工程師可以操作前端的量子電腦,以及隱藏在背後的各種冷卻和控制模組。由於同時打開兩扇門會導致立方體傾斜,因此整個玻璃立方體周邊通過鋁質以及鋼質框架進行了加固。這種外觀構造能夠最大限度地保證量子電腦結構上的完整性,同時使得振動等其他潛在干擾最小化。

量子電腦的外觀造型由工業設計公司Map Project Office和環球設計工作室Universal design Studio合作構想出來。Map Project Office曾與Sonos、本田和卡諾等世界知名公司合作,而環球設計工作室是一家總部位於倫敦的建築和室內設計公司。這個玻璃立方體由總部位於米蘭的製造商Goppion負責打造,該公司曾為羅浮宮的《蒙娜麗莎》、倫敦塔(Tower of London)的皇冠珠寶等作品設計過高級展示櫃。

因此,說這台量子電腦看起來像一件藝術品也就不足為奇了。

這種玻璃外殼使IBM能夠嚴格控制量子電腦的內部溫度。這對於必須保持在絕對零度左右的量子晶片和電路板上的輔助電子元件來說至關重要。任何振動或溫度的意外變化都會使整個系統癱瘓。從理論上講,IBM的新設計應該減少在運行實驗時出現的錯誤量,進而使系統具備更高的可靠性。

眾所周知,量子運算利用量子位元來處理潛在的複雜任務。傳統位元可以被設置為「1」或「0」,而量子位元可以同時取兩個值,或者兩者的疊加值。如果你有兩個量子位元,可以同時測試四種可能的結果(0- 0,0 - 1,1 -0,1-1)。量子位元還能相互感知,這種所謂「量子糾纏」的現象能夠幫助電腦快速找到正確答案。

因此,量子運算有能力擊敗逐個運算可能解決方案的傳統電腦。其將為醫療保健、人工智慧、密碼學、金融模型和天氣模擬技術帶來革命性的變化。無論如何,這是早期研究人員所希望的結果。

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IBM Q System One是一台第四代20量子位元機器。從量子位元的數量上來看,IBM Q System One似乎並不占優勢,因為谷歌去年3月就宣佈推出了一台72量子位元的機器。但蘇特表示,對於量子運算及來說重要的是品質,而不是數量。在增加系統運算力之前,IBM希望將重點放在糾錯和總體可靠性上。「我們一直專注於(量子)晶片的架構和佈局,」他說。「我們一直在研究構建量子晶片所需的所有因素,這種晶片將允許我們擴展到越來越多的量子位元,讓它們以更少的錯誤高效運行。」

在推出Q System One的基礎上,IBM正在想像一個量子電腦整齊地排列在傳統個人電腦和伺服器旁的未來世界。有一天,一個公司可能會有許多這樣的量子電腦「立方體」。

在很大程度上量子運算還是一個未知領域。儘管這項技術還處於起步階段,但IBM正試圖展示成熟的量子電腦可以或應該是什麼樣的。Q System One是試驗性的硬體系統,但IBM將其打造得無與倫比精緻,和最初的iMac如出一轍。參觀者可以透過立方體上一個明顯的窗口窺視內部構造,驚嘆於工程師們所做的一切。

長久以來,人們總希望創造一些美麗事物能夠保持甚至增加公眾對這項技術的興趣。這一點在量子運算還處於早期研究階段時非常重要。雖然實驗正在進行,學術論文也在發表,但這項技術的許多優勢仍停留在理論層面。例如,量子電腦還沒有能夠破解現有的金融加密技術,也無法運行複雜的天氣模擬程式。如果你沒有跟上最新的研究,很難知道量子運算到底是真實還是完全的虛幻。

不過,像Q System One這樣的新硬體帶給人們的直觀感受很強。首先它非常龐大,與不斷變小的智慧型手機和筆記型電腦形成了鮮明而清晰的對比。玻璃外殼和鋼結構或許並不適合所有人的口味,但它們顯示出了明顯演變和進步。

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不幸的是,出現在國際消費電子展上的Q System One只是一個模型。它每側的玻璃框架只有2.3公尺高,而且並沒有隱藏各種冷卻、電力和系統監控組件的後面板。IBM還拆除了量子電腦的保護罩,這樣參觀者就可以直接看到保持量子位元正常運行的管道和電線。

據蘇特稱,IBM在Yorktown Heights有一個「完全可操作」的系統原型,其已經在進行實驗。他表示:「可以肯定地說,這是我們有史以來建造的運行最好的量子電腦,無論從哪個角度看都是如此。」「現在研究人員正在使用它。」

今年晚些時候,該公司將在紐約波基普西開設一個「量子運算中心」,用於運行升級版的Q System One 。目前團隊正在決定是改造原有設備,還是從頭開始打造另一台。IBM在一份新聞稿中說,項目完成後,這座城市將是「世界上少數幾個擁有運營量子運算中心的技術能力、基礎設施和專業知識的地方之一,其中包括高性能運算系統接入,以及與量子電腦協同工作所需的高可用性資料中心。」

IBM的大多數量子運算客戶統稱為Q Network,他們在使用中並不會感覺到系統本身的變化。然而,他們將從量子電腦的穩定性和模組化設計中受益。「我們最終會讓使用這些系統的客戶更愉悅,」蘇特說,「當我們升級和增加系統能力時尤為如此。」

最新的Q Network成員包括能源巨頭埃克森美孚和歐洲核子研究組織(CERN)。「我們看到基礎科學開始利用並理解這一點,」蘇特說,「商業組織正試圖理解它的相關性。這令人興奮。」

Q System One是量子運算的一個小里程碑,但意義重大。然而,科技對我們的生活產生可見影響還需要很多年。蘇托爾指出,「事實上量子運算是一門新學科。其需要更多科學和技術創新來推動進步。作為一名數學家,我知道科學突破是不可能按需實現的。」

 

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