1. ¡Supera la marca de los 1000 qubits!
En la cumbre cuántica anual de IBM el 9 de noviembre de 2022, IBM anunció los avances de Osprey en hardware y software cuánticos y, al mismo tiempo, lanzó el chip "Osprey" (Osprey). "Osprey" es la computadora cuántica con más qubits en el mundo hasta el momento, y el poseedor del récord anterior es la computadora de 127 qubits "Eagle" lanzada por IBM en 2021.
En la actualidad, IBM tiene más de 20 computadoras cuánticas en todo el mundo y los clientes pueden acceder a estas computadoras cuánticas a través de la plataforma en la nube.
Darío Gil, vicepresidente senior y director de investigación de IBM , dijo: "La aparición del nuevo procesador Osprey de 433 qubits nos acerca un paso más al uso de computadoras cuánticas para resolver problemas que antes no podían resolverse". será la primera computadora cuántica del mundo con más de 1.000 qubits . "Mil qubits realmente empujan el límite en términos de lo que realmente podemos integrar”, dijo Jerry Chow, director de infraestructura cuántica de IBM.
IBM también planea lanzar Heron en 2023: este es el primer procesador cuántico modular de IBM, IBM dice que Heron ayudará a producir computadoras cuánticas con más de 4000 qubits para 2025.
IBM planea comenzar a crear prototipos de aplicaciones de software cuántico que para 2025 la compañía espera introducir tales aplicaciones de software cuántico en aprendizaje automático, problemas de optimización, ciencias naturales y más.
La hoja de ruta cuántica de IBM también enumera varios otros hitos importantes hacia la supremacía cuántica:
En 2023, con el lanzamiento del procesador Condor, la escala se expandirá aún más a 1121 qubits, y la velocidad y la calidad de todo el sistema mejorarán aún más.
En 2024, IBM se propuso integrar y probar tecnologías clave que respaldan la expansión futura, como la paralelización clásica, los acopladores, los procesadores cuánticos de chips múltiples y la paralelización cuántica.
En 2025, complete las piezas finales del rompecabezas para el objetivo de la supremacía cuántica, incluido el hardware cuántico modular, la nueva electrónica de control y la infraestructura criogénica.
En 2026, IBM tendrá la capacidad de escalar los sistemas futuros de 10 000 a 100 000 qubits, con una velocidad y calidad significativamente mejoradas. La implementación madura de la mitigación de errores cuánticos hará posible la supremacía cuántica.
2. Definición de computadora cuántica
Hoy es la era de " todo puede ser cuántico ", entonces, ¿qué es exactamente una computadora cuántica?
El hardware de la computadora se basa en circuitos cuánticos, y el algoritmo que ejecuta la computadora es un algoritmo cuántico.Este tipo de computadora se llama computadora cuántica. De acuerdo con la definición de computadora cuántica, se pueden obtener dos características importantes de la computadora cuántica: el hardware usa circuitos cuánticos y el software usa algoritmos cuánticos .
2.1 Circuitos cuánticos
Los circuitos de computadora tradicionales
constituyen el circuito de unidad básica de una computadora tradicional que es una puerta lógica , puertas lógicas comunes como puerta AND (puerta AND), puerta NOT (puerta NOT), puerta NAND (puerta NAND), etc. Las puertas lógicas están compuestas por transistores, y la combinación de estos transistores puede hacer que las señales de alto y bajo nivel pasen a través de ellas para generar nuevas señales de alto o bajo nivel, realizando así operaciones lógicas. Las puertas lógicas pueden implementar circuitos digitales complejos como sumadores y multiplicadores. La siguiente figura es una puerta lógica y un circuito de puerta NO lógica CMOS (inversor). 
Las computadoras tradicionales se componen de circuitos digitales, y los circuitos digitales se componen de muchas puertas lógicas . Los circuitos digitales procesan principalmente señales digitales (es decir, las señales se expresan en dos estados de 0 y 1), por lo que tienen una gran capacidad antiinterferencias. Los circuitos digitales tienen varios circuitos de puerta, flip-flops y varios circuitos lógicos combinacionales y circuitos lógicos secuenciales compuestos por ellos. Un sistema de circuito digital generalmente consta de una unidad de control y una unidad de operación.Impulsada por un reloj, la unidad de control controla la unidad de operación para completar las acciones a ejecutar. La siguiente figura es un diagrama esquemático de la estructura de la computadora.
Puertas cuánticas y circuitos cuánticos
El hardware de una computadora tradicional se compone de circuitos lógicos, y la unidad básica de un circuito lógico es una puerta lógica. Sin embargo, el hardware de una computadora cuántica se compone de circuitos cuánticos. La unidad básica de un circuito cuántico es una puerta cuántica, y el objeto de la operación de la puerta cuántica es un qubit . Las puertas cuánticas también se dividen en muchos tipos. El papel de las puertas cuánticas se puede entender a través de la tabla de verdad. La siguiente figura muestra el símbolo de la puerta cuántica y la tabla de verdad de la puerta cuántica. 
Al combinar puertas cuánticas básicas para construir circuitos de puertas cuánticas complejos, estos circuitos de puertas cuánticas complejos pueden realizar ciertas funciones especiales de control cuántico. Llamamos a algunas puertas cuánticas básicas simples combinadas en puertas cuánticas más complejas como una red cuántica/circuito cuántico . La siguiente figura es un sumador cuántico de 2 bits compuesto por puertas CNOT. 
Muchos circuitos cuánticos se pueden combinar para formar un procesador de computadora cuántica , y el procesador cuántico es el componente central de una computadora cuántica. La siguiente figura es un diagrama esquemático de la estructura del chip cuántico Osprey de IBM.
2.2 Algoritmos cuánticos
La eficiencia computacional de las computadoras cuánticas cuando ejecutan algoritmos cuánticos es mucho mayor que la de las computadoras tradicionales . Sin embargo, los cálculos que pueden realizar las computadoras tradicionales aún hacen uso completo de las computadoras tradicionales para realizar, y permiten que las computadoras cuánticas realicen los cálculos relacionados con los algoritmos cuánticos tanto como sea posible.
El cálculo químico cuántico para simular el comportamiento cuantizado de la materia es un campo de aplicación típico de las computadoras cuánticas.Si los cálculos químicos cuánticos se realizan en computadoras clásicas, es decir, para simular y calcular el comportamiento de sustancias que siguen las leyes de la mecánica cuántica, cálculos enormes se generará cantidad.
Ya se trate de materiales para automóviles, productos farmacéuticos o baterías, el rendimiento de todos los materiales en el mundo mejorará con la profundización de la investigación y el desarrollo. Para ello necesitamos predecir correctamente la microestructura del material, es decir, predecir correctamente el comportamiento de los átomos y moléculas que componen el material. Actualmente, la forma de desarrollar nuevos materiales es realizar simulaciones usando modelos aproximados en computadoras clásicas y realizar extensos experimentos, entre otras cosas. La mecánica cuántica también puede describir el comportamiento de los átomos y las moléculas.
Esto significa que mientras los materiales puedan simularse a través de la mecánica cuántica, los nuevos materiales podrán desarrollarse de manera más eficiente que nunca. Sin embargo, el proceso de modelado de materiales a través de la mecánica cuántica es sorprendentemente complejo. Esto se debe a que los materiales están formados por una gran cantidad de átomos y moléculas, que a su vez se influyen entre sí a través de diversas interacciones. Aunque podemos modelar basándonos en la mecánica cuántica, la situación actual es que si realmente pretendemos usar computadoras clásicas para calcular el comportamiento de los átomos y el comportamiento de las moléculas, definitivamente tomará mucho tiempo de computación.
Dado que la capa inferior de las computadoras cuánticas se basa en la mecánica cuántica, las computadoras cuánticas pueden realizar cálculos químicos cuánticos a una velocidad muy superior a la de las computadoras clásicas .
3. Realización del qubit
Las computadoras tradicionales operan a través de circuitos digitales electrónicos, pero las computadoras cuánticas son mucho más complicadas de fabricar. Las computadoras cuánticas requieren cúbits y realizan operaciones cuánticas. Es necesario utilizar el estado de la mecánica cuántica para preparar qubits y realizar la operación de cuantización controlando el estado cuántico. El estado cuántico es muy frágil y la realización de qubits es muy complicada. Los principales métodos actuales de implementación de qubits incluyen: circuitos superconductores, iones atrapados, cuántica óptica, etc.
3.1 Circuitos superconductores
Algunos metales entran en un estado superconductor de resistencia cero cuando se enfrían a temperaturas extremadamente bajas. El estado superconductor es un fenómeno físico que solo puede explicarse mediante la mecánica cuántica. Los circuitos electrónicos hechos de metales en un estado superconductor exhiben distintas propiedades cuánticas, por lo que los qubits se pueden realizar a través de circuitos superconductores. 
Los circuitos superconductores que habilitan los qubits están compuestos principalmente de metales como el aluminio y el niobio. Para que el circuito entre en estado superconductor, el chip (chip cuántico) que integra el circuito qubit superconductor y el circuito de control debe enfriarse a una temperatura extremadamente baja (baja temperatura de unos pocos milikelvin), por lo que el chip cuántico necesita para ser colocado en un refrigerador especial para que funcione correctamente. El diagrama esquemático del chip cuántico superconductor de fluxonio es el siguiente:
3.2 Iones atrapados
El uso de iones atómicos aprisionados en vacío ultraalto como portadores de qubits puede aislar en gran medida la interferencia ambiental externa. Los qubits de iones tienen una estabilidad extremadamente alta y pueden lograr un tiempo de coherencia de más de 1 hora. Usando la interacción de iones de luz altamente controlable, la operación de lógica cuántica en el qubit de iones también tiene una fidelidad extremadamente alta. Al mismo tiempo, la alta densidad de conexión del acoplamiento entre los qubits de iones también hace posible ejecutar el cuanto de manera más eficiente. Tarea.
La siguiente figura es el cálculo cuántico del sistema de iones atrapados en el Laboratorio de Computación Cuántica de Trampa de Iones del Instituto de Ciencia e Ingeniería Cuántica de la Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur.
3.3 Cuántico óptico
La computación cuántica óptica se opera a través de puertas lógicas ópticas y se realiza principalmente a través de polarizadores ópticos.La computación cuántica óptica utiliza principalmente el grado de libertad de polarización y el momento angular de los fotones como objetos de medición de cambio de qubits. En comparación con las computadoras cuánticas, como los iones atrapados y los circuitos superconductores, la mayor ventaja de las computadoras cuánticas ópticas es que pueden operar a temperatura ambiente y en el aire, pueden superar el límite del ruido cuántico y tienen una estructura relativamente simple.
La computadora cuántica de mi país "Nine Chapters" utiliza computación cuántica óptica. En comparación con los sistemas superconductores, es más fácil de operar a temperatura ambiente. Sus principios son los siguientes:
4. Composición de las computadoras cuánticas
Las computadoras cuánticas resolverán problemas que son difíciles para las computadoras tradicionales y pasarán a formar parte de los sistemas informáticos tradicionales (es decir, las computadoras cuánticas se integrarán en los sistemas informáticos tradicionales). En esta etapa, generalmente se cree que las computadoras cuánticas son máquinas de propósito especial, es decir, las computadoras cuánticas son solo máquinas para "resolver rápidamente ciertos problemas específicos". 
Teóricamente, el modelo de circuito cuántico puede describir la computación cuántica de propósito general, y cualquier cálculo que pueda realizar una computadora convencional puede hacerlo una computadora cuántica. Pero las computadoras cuánticas podrán realizar cálculos cuánticos mucho más rápido que las computadoras convencionales. En esta etapa, solo se utilizan computadoras cuánticas para ayudar a las computadoras clásicas.
La computadora cuántica de IBM compuesta por circuitos superconductores se muestra en la siguiente figura. Tales computadoras cuánticas no solo requieren el uso de un gran dispositivo de enfriamiento llamado refrigerador de dilución, sino también una gran cantidad de dispositivos de control.
El diagrama de estructura de la computadora cuántica de IBM es el siguiente:
5. Las computadoras cuánticas no son una panacea
Para algunos problemas especiales y complejos, como la descomposición de números primos para descifrar contraseñas y simular fenómenos físicos complejos, las computadoras tradicionales serán muy difíciles de manejar y, a menudo, requerirán mucho tiempo. Sin embargo, algunos de estos problemas son exactamente en lo que las computadoras cuánticas son buenas , y si estos problemas son manejados por computadoras cuánticas, la eficiencia de procesamiento mejorará en gran medida. 
Cabe señalar que para los problemas espinosos que enfrentan las computadoras tradicionales, la computación cuántica puede mejorar la velocidad de procesamiento de algunos problemas, pero no puede resolver todos estos problemas. Incluso una computadora cuántica enfrentará muchos problemas difíciles de resolver. Por lo tanto, las computadoras cuánticas no son una "panacea" . Necesitamos usar las fortalezas de las computadoras cuánticas para resolver problemas en las áreas en las que la computación cuántica es buena.
supremacía cuántica
La supremacía cuántica se refiere a la superioridad de la computación cuántica sobre las computadoras clásicas . Lograr la supremacía cuántica es un hito importante en el desarrollo de la computación cuántica.
El 4 de diciembre de 2020, "Science" publicó un artículo de gran éxito sobre computadoras cuánticas. Un equipo de investigación compuesto por Pan Jianwei y Lu Chaoyang de China cooperó con el Instituto de Microsistemas de Shanghai de la Academia de Ciencias de China y la Investigación Nacional de Tecnología de Ingeniería Informática Paralela. Centro para construir un prototipo de computación cuántica "Nueve capítulos" con 76 fotones.
¡"Jiuzhang" ha logrado una solución rápida a la tarea de "muestreo Gaussian Bose" con perspectivas prácticas! Su velocidad es 10 mil millones de veces más rápida que la velocidad de cálculo de las supercomputadoras actuales, y 10 mil millones de veces más rápida que la computadora superconductora qubit 53 "Platanus" lanzada por Google el año pasado. ¡La computadora cuántica de China ha alcanzado la "hegemonía cuántica" de facto!
6. El desarrollo de las computadoras cuánticas
A lo largo del desarrollo de las computadoras cuánticas, la aplicación de la tecnología basada en la mecánica cuántica y el desarrollo de las computadoras cuánticas aún están en pañales , y aún debemos continuar invirtiendo en investigación y desarrollo. En un futuro previsible, las computadoras cuánticas resolverán problemas a largo plazo en los campos de los materiales, la biología y las matemáticas. Con la ayuda de computadoras cuánticas, los humanos pueden simular el plegamiento de algunas moléculas de proteína para ayudar a tratar la enfermedad de Alzheimer y la enfermedad de Parkinson Solución óptima, encontrar el estado más estable de un determinado material.
La computadora cuántica, como una nueva herramienta para los seres humanos, solo puede considerarse como una "chispa de fuego" en la actualidad. Aunque hay luz, es muy débil. La antorcha llameante que conduce al mundo desconocido ilumina las leyes ocultas de la naturaleza y lleva a la humanidad a las estrellas y los mares!
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