IBM将建欧洲首个量子数据中心，离实现“550W”又近了一步

近期，IBM宣布计划将设立首个位于欧洲的量子数据中心，为公司、研究机构和政府机构访问尖端量子计算提供便利。该数据中心预计于2024年投入运营，拥有多个IBM量子计算系统，每个系统都有“实用规模的量子处理器”，即100多个量子位的量子处理器。

该数据中心位于IBM在德国埃宁根的工厂，并将作为IBM Quantum的欧洲云区域。届时，欧洲和世界其他地方的用户，将能够通过该数据中心为基于云端的量子计算研究和探索活动提供服务。

IBM Quantum以量子为中心的10万量子比特超级计算机的视觉效果，预计将于2033年部署

该数据中心旨在帮助客户继续管理欧洲数据监管要求，包括处理欧盟境内的所有工作数据。该设施将是IBM的第二个量子数据中心和量子云区域，第一个于2019年1月在纽约波基普西启用。

“欧洲拥有一些世界上最先进的量子计算机用户，而且随着实用规模的量子处理器时代的到来，人们的兴趣只会加速增长，”IBM研究员兼IBM量子部副总裁Jay Gambetta说，“计划中的量子数据中心和相关的云区域将为欧洲用户提供一个新选择，因为他们寻求利用量子计算的力量，努力解决世界上一些最具挑战性的问题。”

IBM欧洲、中东和非洲地区总经理Ana Paula Assis补充道：“欧洲的量子数据中心是我们全球努力的一个组成部分。它将为欧洲客户提供新的机会，让他们在探索如何最好地将量子应用于行业时，与我们在欧洲和他们自己的客户并肩合作。”

在IBM量子网络中，目前有60多家欧洲组织通过云计算访问量子硬件和软件，包括博世、德国电子同步加速器（DESY）、欧洲核子研究组织（CERN）和弗劳恩霍夫协会。

弗劳恩霍夫协会的研究主任Raoul Klingner博士表示：“我们很高兴并自豪地支持IBM量子团队决定在埃宁根建立他们的欧洲量子数据中心。在巴登-符腾堡州的选址将进一步加强弗劳恩霍夫与来自工业和研究领域的客户和合作伙伴建立的生态系统。”

IBM1亿美元计划开发“10万库比特”超级计算机

今年5月，IBM宣布了一项为期10年、耗资1亿美元的计划，与东京大学和芝加哥大学合作开发了一台以量子为中心、由10万个量子比特驱动的超级计算机。IBM表示：一个10万量子比特系统将作为解决世界上一些最紧迫问题的基础，即使是当今最先进的超级计算机也可能永远无法解决这些问题。

例如，这样一个强大的量子系统可以解开对化学反应和分子过程动力学的新理解。反过来，这可以使研究人员通过模拟更好的碳捕获方法，帮助研究气候变化；发现用于制造电动汽车和能源网的电池材料，以实现更清洁和更可持续的目标；以及发现更有效和节能的肥料。

IBM Quantum System Two概念图，是一个设计为模块化和灵活的系统，将多个处理器组合成一个具有通信链路的系统

IBM打算在东京和芝加哥的新伙伴关系基础上，将阿贡国家实验室和费米拉布国家加速器实验室包括在内。这两个实验室提供的能力和专业知识，可以提供以量子为中心的超级计算机的竞赛中所设想的技术。

IBM董事长兼首席执行官Arvind Krishna说：“我们已经沿着既定的路线图和使命取得了重大进展，在全球范围内建立起有用的量子技术，以至于我们现在可以与合作伙伴一起，真正开始探索和开发以量子为基础的新一类超级计算。”

激光技术在量子计算中的作用

在今年的春节档期间，《流浪地球2》火遍了大江南北，片中的量子计算机（550W）——基于550系列迭代后具备自我意识的人工智能MOSS，在推动地球摆脱“月球危机”时扮演着关键角色。无论从算力还是具体的复杂数据运算来看，量子计算机无疑超越了当代的经典计算机，也成为了当今世界最炙手可热的研究领域之一。

当前，除了超导，其他主流量子计算方案的实现几乎都离不开激光技术。虽然利用叠加、纠缠等量子力学原理进行计算的想法至少有几十年的历史，但实现实用量子计算机的技术只在过去几年才开始出现。高纯度、低噪声的激光源是新兴量子计算架构的关键使能技术之一。在量子硬件颠覆计算机科学领域的过程中，先进的激光系统将发挥举足轻重的作用。

正如比特是现代数字计算机的基本构件一样，被称为量子比特的两能级系统构成了量子计算机的基础。一个量子比特可以存在于两个二进制状态（0和1）的相干叠加中，所以它可以被用来进行某些计算，比传统计算机要快得多。

实现量子比特的方法也有很多。例如商业上可用的系统，如IBM的Q系统以及谷歌和英特尔的类似硬件，依靠冷却到接近绝对零度的超导线来实现量子比特。这些系统的成功使得研究人员开始研究可以在不那么极端的环境条件下运行的替代性量子计算架构。具有特殊性质的激光系统对最近的许多努力都至关重要，因为它在多能级物理系统中发挥着作用。

一个量子比特是一个两能级系统，其中两个状态可以以稳定的叠加方式存在。例如，考虑一个原子的两个内部能量状态：基态和激发态。这些状态之间有一个离散的能量间隙，它们可以用特定频率的激光辐射耦合在一起（其中激光能量和频率由普朗克常数h决定）。

原子的状态与激光辐射有一个明确的相位关系（换句话说，激光和原子之间的耦合是相干的）。通过应用频率和持续时间可控的激光脉冲，有可能在两个原子能级之间产生叠加状态，有效地控制发现原子处于激发态或基态的概率。

当前，许多技术挑战仍然存在，包括将这些系统扩展到足够数量的量子比特以进行实际计算。有些系统一次只演示了几个量子比特；数百或数千个量子比特对于许多应用是期望的。这将需要在保持低噪声和精细线宽的同时，将激光输出功率大大增加几瓦到几十瓦或更高的量级。未来系统中光学部件的精确对准也可能得益于集成光学和调制器的进步。

来自中国的声音

2020年12月，由中国科学技术大学潘建伟教授领导的研究团队首次向外界展示的一台光量子计算机（“九章”），它利用光子作为量子比特，通过激光和光学元件实现量子逻辑门。该团队在《自然》杂志上发表了一篇论文，称“九章”在解决一个名为高斯玻色取样的问题上，只用了200秒，而世界上最快的经典超级计算机“顶点”则需要近5年的时间。这一结果被认为是实现了“量子霸权”，即量子计算机在某些问题上超越经典计算机的能力。

潘建伟教授

在最新的研究中，该团队利用“九章”实现了两种常用于AI领域的算法——随机搜索和模拟退火。随机搜索是一种寻找最优解的方法，它通过不断地随机生成候选解，并与当前最优解进行比较，来逐渐逼近最优解。模拟退火是一种启发式优化算法，它模仿固体物质在冷却过程中达到最低能量状态的过程，来寻找一个复杂系统中的全局最优解。

该团队发现，“九章”在执行这两种算法时都表现出了极高的效率和精度。例如，在随机搜索中，“九章”只用了0.4秒就找到了一个含有100个变量的函数的最小值，而“顶点”超级计算机则需要71秒。如果将变量增加到200个，“九章”的速度优势就会增加到1.8亿倍。

潘建伟教授表示，“九章”的性能还有很大的提升空间，他们正在努力提高光子的产生率和检测效率，以及减少系统的噪声和损耗。“九章”可以应用于数据挖掘、生物信息、网络分析和化学模拟等领域，为人工智能提供强大的支持。

目前，中国不仅在光量子计算机方面取得了突破，还在超导量子计算机方面也有重大进展。今年5月，中国科学院物理研究所的研究团队宣布，超导量子计算机“祖冲之”在执行一个名为量子近似优化算法的任务时，比谷歌的量子计算机“西摩尔”快了10亿倍。

这一算法可以用于解决组合优化问题，例如旅行商问题、图着色问题等，它们在运筹学、密码学和机器学习等领域有着广泛应用。量子计算机的发展不仅对科学研究和技术创新有着重要意义，也对国家安全和国际竞争有着深远的影响。