量子電腦要走到商用,唔係單靠堆高實體量子位數量就得。系統仲要壓低錯誤、容納大量控制及讀取接線、維持極低溫運作,最後更要在某類客戶問題上,做到傳統高效能運算(HPC)同AI系統無法以相近成本達到的效果。
IBM同Intel正由兩條不同路線處理這些瓶頸:IBM一邊降低近期噪聲量子計算的誤差成本,一邊重設超低溫硬件的擴展方式;Intel就押注矽自旋量子位,並將量子處理器定位為與CPU、GPU協同的專用運算資源。
IBM:先篩走可辨認錯誤,再處理剩低噪聲
IBM提出的 spacetime probabilistic error cancellation(spacetime PEC,時空機率式錯誤抵消),核心係將兩種錯誤處理方法接起來,而唔係聲稱已經可以修正所有量子錯誤。
第一步是以基於「時空碼」的錯誤偵測層,在電路不同量子位及不同時間步加入輔助量子位與檢查。若某次運行未能通過這些檢查,就會被標記,並以後選(post-selection)方式剔除。之後,系統對未被偵測到的剩餘錯誤,使用 PEC:透過抽樣多個經修改的電路版本,再以帶權重的統計結果估算及抵消噪聲。
重點要分清:這屬於錯誤緩解,唔係容錯量子錯誤更正。它可以令噪聲處理器給出較好的結果估計,但未能將現時的實體量子位,變成可以長時間可靠運算的邏輯量子位。
63倍數字實際代表乜?
研究團隊在IBM超導量子處理器 ibm_aachen 上,以橫場伊辛模型模擬測試該方法。預印本指,方案在六個Trotter步之內,能將平均磁化量恢復至統計不確定度範圍內;相較沒有後選的PEC,推算的抽樣開銷最多降低63倍。
呢個數字值得留意,但適用範圍好具體:它比較的是該實驗的估算抽樣成本,唔代表整體運行時間快咗63倍,更唔係通用量子加速的證明。後選本身必然會丟棄部分量測結果;而PEC能否有效,亦取決於是否足夠準確掌握噪聲模型。加上成果目前是arXiv預印本,並非經同行評審、證明可廣泛進行容錯運算的示範。
實際意義是:能識別的故障就先剔除,將較昂貴的誤差緩解資源集中處理其餘錯誤。這或可延長噪聲量子電腦可做有用計算的範圍,但不會取代日後所需的主動錯誤更正及邏輯量子位。
IBM點解連「雪櫃」都要重造?
對超導量子處理器而言,冷卻系統本身就是擴展難題。每個量子位都要控制及讀取連接;當要在傳統低溫設備內塞入更多處理器,接線密度與互連安排就愈來愈難處理。
IBM已將兩個盒形低溫單元接成同一個運作環境,溫度降至 15毫開爾文以下;兩個模組之間以具熱屏蔽的通道,讓量子纜線穿過。每個單元仍採用成熟的稀釋製冷技術,但盒形設計讓模組可以並排擺放,騰出更多空間予接線及晶片之間的連接。IBM表示,每個模組的真空外殼最多可提供其常用量子系統 12倍 的接線空間。
商業層面的價值在於架構:與其將一顆愈做愈大的處理器困在單一、受空間限制的冷凍機內,IBM想用受保護的短距離互連去連接多枚處理器。理論上,這可令運算能力隨模組增加而擴展,同時減輕長距離外部接線帶來的佈線複雜度。
Nighthawk、2027年1,000個量子位與Starling
IBM下一步計劃在這個模組化系統安裝Nighthawk處理器,以測試整套架構。其路線圖目標是到 2027年,經已連接的處理器合共達到至少 1,000個可編程量子位;而預定的容錯系統 IBM Quantum Starling 則目標在 2029年 推出。
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這些是路線圖目標,唔係已交付的能力。但它反映IBM已將誤差處理、模組硬件、互連、接線與超低溫運作,視為同一個擴展問題,而非各自獨立的工程項目。
Intel的押注:矽量子位,融入混合運算堆疊
Intel行政總裁陳立武(Lip-Bu Tan)形容,量子處理器將是第三類運算硬件,在部分應用中與 CPU及GPU並行協作。在此模式中,傳統處理器與加速器負責流程編排及一般運算;量子處理器只會被派往量子演算法能帶來實質優勢的特定工作。
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這比「量子電腦取代傳統電腦」的說法收斂得多,亦可能更貼近現實。一個可用的量子工作流程,必須證明其額外硬件、軟件及營運複雜度,值得勝過不斷進步的傳統HPC與AI系統。
Tunnel Falls:供研究社群使用的矽自旋平台
Intel的 Tunnel Falls 是一枚12量子位的矽自旋量子處理器,已開放給研究社群使用。它的定位是協助研究量子位操作、特性量測、製造與擴展,並探索能否採用半導體產業式的製程方法。Intel將其描述為邁向全棧商用量子系統的一步,而不是本身已可出售的商用產品。
矽自旋量子位吸引人的地方,在於可製造性:若技術成熟,或可借力傳統半導體生產累積的工藝與流程管理能力。不過,Tunnel Falls仍屬研究規模裝置,距離容錯運算所需的規模,這項潛力尚待驗證。
Horse Ridge II:將控制電子設備搬近量子位
Intel同樣要處理控制系統的擴展問題。Horse Ridge II 是其低溫量子控制晶片項目,目標是更緊密整合量子位,以及操控和讀取量子位的傳統電子設備。Intel將低溫控制列為量子系統工作的關鍵部分;有關項目的報道指,Horse Ridge II約在 4開爾文 運作。
把部分控制功能移近低溫環境,旨在減少系統依賴一大束由室溫伸入冷凍機的纜線;隨量子位數量增加,這些纜線可能成為瓶頸。Tunnel Falls與Horse Ridge II合起來,顯示Intel同時布局量子位技術及周邊控制堆疊。
2029年目標密集,但市場仍未驗證
業界的時間表愈來愈集中在本世紀末。Microsoft表示,其Majorana 2工作支持在 2029年 建成具商業實用性的量子機器;Microsoft亦報告,新系統的平均量子位壽命約為20秒。這些是公司自行公布的里程碑與目標,並不代表已有容錯量子機器投入商業部署。
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Amazon高層Peter DeSantis的預測較審慎:首批具商業用途的小型量子電腦,可能要再等五至七年。
6 換算即大致落在2030年代初,也正好突顯硬件里程碑與可重複產生商業價值之間的差別。
Intel對錯誤更正、應用場景及「邊個會畀錢」的關注,正點出最核心的商業缺口。更多量子位、更好的低溫系統,以及更低的誤差緩解開銷,都屬必要進展;但單靠其中任何一項,都不足以證明市場需求。真正的測試是:CPU—GPU—量子處理器的混合工作流程,能否在某個客戶問題上提供可驗證的經濟效益,而且是傳統系統無法同樣有效做到的。
現階段,IBM的spacetime PEC與模組化低溫架構,以及Intel的矽自旋與控制硬件研發,都是重要工程進展。不過,更準確的理解是:它們正在令有用的量子運算變得有可能,而唔係證明廣泛可行的商用量子運算已經到來。