编者按
为了解全球量子计算产业发展情况，QIAC量子计算工作组将推出“量子计算产业前线”系列，介绍量子计算行业的科技巨头以及头部企业。今天我们首先介绍经典计算机界的“蓝色巨人”——IBM。
IBM是全球最早布局量子计算的公司之一，深耕超导量子计算机的同时，在软件、云平台、应用、教育等赛道均有涉足，开创了量子计算历史上的多个“首次”，是全球量子计算产业的先驱和佼佼者，引领着行业的发展。
在2022年IBM量子峰会上，IBM宣布了其在量子硬件和软件方面取得的突破性进展，其中最受瞩目的是433个量子比特的量子计算机“鱼鹰”（Osprey）。
“鱼鹰”是全球迄今最大的量子计算机，是此前记录保持者——IBM去年推出的127量子比特计算机“鹰”（Eagle）的3倍多。
“鱼鹰”量子计算机 来源：IBM
作为经典计算的核心企业，IBM希望在新一代量子计算产业中继续稳固其地位，很早便开始了对量子计算技术发展的布局，“鱼鹰”正是其量子计算版图中的一部分。
量子计算行业的先驱者
提到量子计算，人们第一时间应该会想到率先实现“量子优越性”的谷歌。但很多人可能并不了解，IBM是全球最早布局量子计算的公司之一。
1981年5月，在MIT和IBM联合举办的计算物理学大会上，理查德·费曼（Richard Feynman）首次提出了量子计算的概念。值得一提的是，IBM的研究员、量子信息论的主要创立者查尔斯·本内特（Charles Bennett）也出席了本次会议，并为与会者拍摄了合照。
1981年举办的第一届计算物理大会 来源：Charlie Bennett
尽管当时量子计算仍未受到广泛关注，但IBM已然开始了此领域的谋划，并在随后的多年间，引领着全球量子计算产业的发展。
在量子计算硬件研发方面，IBM起步很早，在超导量子计算赛道保持领先。上世纪末，IBM就已利用核磁共振（NMR）量子比特技术开发出了3位量子计算机。
2001年，IBM先后在5位NMR量子计算机、7位NMR量子计算机上成功运行了Shor量子算法。这也是人类首次在硬件上实现Shor算法，IBM的研究团队成功将21分解为3和7，将15分解为3和5。
用于实现Shor算法的量子电路示意图 来源：Nature
2015年4月，IBM的研究人员利用2×2的方形量子比特电路，实现了同时发现和测量两种量子误差，而这是建造实用量子计算机的关键步骤。同时，该工作中用的电路也具备可扩展性，可以应用于更大尺寸的物理结构。到2016年，IBM推出了由5个超导量子比特组成的量子处理器。
表面码的实现和测量误差的量子电路 来源：Nature Communications
2019年1月，在国际消费电子展上，IBM推出了“世界上第一个专为科学和商业用途设计的集成通用近似量子计算系统”——Q System One。高度集成的模块化系统Q System One的推出，意味着通用超导量子计算机开始走出实验室。
Q System One 来源：IBM
此外，IBM也是“量子体积”（Quantum Volume）的提出者。量子体积是一个针对量子设备整体的度量标准，其影响因素包括量子比特数、测量误差、设备交叉通信及设备连接、电路软件编译效率等。量子体积概念的出现，使得量子计算机的性能有了更为专业的评估方法。
相关设备的预估量子体积 来源：IBM
硬件之外，IBM在量子计算的其他方向也不甘人后。
2016年，随着量子计算云平台IBM Q Experience的问世，IBM成为全球第一个推出量子云服务的公司；2017年9月，IBM设计了一种在量子计算机上模拟分子的方法，成功使用一个7量子比特的量子处理器解决了铍氢化物（BeH2）的分子结构问题，这也是迄今为止在量子计算机上模拟的最大分子；2021年3月，IBM发布了首个专门针对量子计算机的电子设计自动化工具Qiskit Metal；2021年11月，IBM提出了行业内第一个衡量量子计算速度的指标“每秒电路层操作数”（CLOPS）……
在量子计算机上模拟BeH2 来源：Nature
正如IBM欧洲研究院科学技术部负责人、IBM欧洲量子研究所主管Heike Riel所言：“IBM一直处于将量子硬件和软件引入全球科技发现的最前沿。”
四十余年间，IBM开创了量子计算历史上的多个“首次”，是全球量子计算产业的先驱和佼佼者，引领着行业的发展。
量子计算最认真最坚定的玩家
2020年9月，IBM首次发布量子技术路线图，计划在2021年实现127个量子比特，2022年实现433个量子比特，2023年实现1121个量子比特，而后迈向百万级量子比特。回望这两年的发展，IBM正在按照其既定的目标稳健地前行。
全球领先的知识产权综合信息服务提供商IPRdaily近期统计了全球量子计算领域的发明专利申请数量，截至2022年10月18日，IBM以1323件稳居榜首，数量远高于排名第二的google（762件）。
全球量子计算技术发明专利排行榜（TOP10） 来源：IPRdaily
除专利外，IBM也贡献了相当数量的学术论文、行业调研报告，不愧为量子计算的“行业灯塔”。
今年9月，IBM发表的一篇报告中，展望了量子计算的发展趋势，认为未来将形成以量子为中心的超级计算机这一架构，并描述了几年内可以在一些科学上相关的问题上实现的量子优势，为行业带来了启发。
经典-量子混合的类集群架构模型 来源：arXiv
硬件方面，IBM一方面不断巩固其在超导量子计算机方面的实力，在2019年推出了27量子比特的“猎鹰”（Eagle）；在2020年9月推出了65位量子比特的“蜂鸟”（Hummingbird）；“鹰”和“鱼鹰”则分别在2021年11月和2022年11月推出。
另一方，IBM通过与采用中性原子（冷原子）技术路线制备量子比特的初创公司ColdQuanta合作，探索冷原子量子技术的商业化应用。
历代IBM量子处理器的相对尺寸 来源：IBM
软件方面，IBM先后推出了量子计算开源框架Qiskit的扩展工具Qiskit VSCode Extension和Terra、第一个专门针对量子计算机的电子设计自动化（EDA）工具Qiskit Metal……2021年2月，IBM在其量子计算的软件路线图中预计，到2025年将出现无摩擦量子计算，从而实现超越经典计算的广泛应用。
在未来很长的一段时间里，量子计算的发展将离不开云平台的推动。据ICV的统计，截止2021年年底，IBM的云平台IBM的云平台已经有超过32.5万注册用户，Qiskit软件开发工具包的下载量超过65万次，每天在IBM Quantum系统上运行20亿个量子电路……
IBM Qiskit优化模块 来源：IBM
在量子计算应用方面，IBM也展开了相关的研究。如2017年9月，IBM的研究人员利用量子计算机解决铍氢化物（BeH2）的分子结构问题，现在利用Qiskit Runtime，IBM模拟分子的能力已经较2017年提高了120倍。2021年，IBM的研究团队利用通用量子算法，在IBMQuantum 20量子位处理器上成功证明了量子计算在蛋白质折叠问题上的优越性。
为了探索量子计算的实际应用，IBM在2017年12月创立了IBM Q Network组织，广泛面向行业领袖、学术、政府研究实验室和初创公司，IBM Q Network目前已包括航空、汽车、银行和金融，能源、保险、材料和电子多个行业的100多个组织，多个行业巨头公司和顶尖研究机构悉数在列。
于此同时，IBM也与多个行业的头部企业达成了合作，共同开发量子计算在各行各业的应用。2022年10月，世界最著名医疗机构之一克利夫兰诊所和IBM已开始部署第一台由IBM管理的私营部门现场量子计算机——IBM Quantum System One，以通过高性能计算从根本上推进生物医学研究的步伐。
IBM Q Network
IBM致力于推动量子计算的教育，针对不同的学生群体，推出了相应的量子计算课程；通过在其他国家安装IBM Q System One，为当地学生和研究人员提供了探索量子计算实践的机会。
此外，IBM也非常注重商用量子计算的市场教育工作，鼓励全球的研究人员利用IBM的量子计算云服务来实验他们的量子算法。
2020年11月，IBM还发起了一项量子计算研究方面的奖项——开放科学奖（Open Science Prize），鼓励相关的个人或团队提供开源量子解决方案。
可以说，作为经典计算机行业的“蓝色巨人”，IBM是量子计算领域非常认真且坚定的玩家。
IBM的“宏伟蓝图”
在全球拥有20多台量子计算机的IBM，除了构建自身量子计算机生态体系，更是放眼整个行业的繁荣，试图引领计算范式的发展，这也可以从IBM在今年5月公布的最新量子计算技术发展路线图中窥见一二。
根据路线图，IBM计划在2022-2025年间每年都推出一款新的量子计算系统，到2025年推出4000量子比特处理器的量子计算机，并将量子计算投入实际应用。
此外，路线图也展示了与硬件目标相对应的软件发展里程碑，以减少现阶段的噪声对用户应用程序的影响，为纠错量子系统铺平道路。
IBM量子计算技术发展路线图 来源：IBM
值得一提的是，为了扩大量子处理器的规模，IBM计划开发将不同处理器连接到一个可扩展的模块化系统的方法，即通过使用多个芯片，将量子计算机的规模扩展到数十万个量子比特。
为此，IBM规划了3种方案：推出带有控制硬件的处理器Heron，可以在不同处理器之间进行实时的经典通信；通过启用多芯片处理器扩展量子处理器的规模；利用独立芯片之间的双量子比特门进行量子通信，从而支持量子并行化。
133量子比特的Heron处理器，计划于2023年推出 来源：IBM
在2022年11月9日的IBM年度量子峰会上，IBM如约推出了“鱼鹰”。除了量子比特的优势，相比于IBM以往的量子计算机，“鱼鹰”还具有两大优势：可适用于低温环境的柔性带状电缆，可以向量子处理器发送和接收微波信号的新一代控制电子设备。
峰会上，IBM还公布了多项其他成果，如实现了新的量子体积和CLOPS指标、将在其量子计算机的云软件中包含可选的错误缓解技术、可在18个系统上使用的动态电路（中间电路测量）、量子无服务器技术和电路编织以及IBM Quantum System 2的新封装。
这些成果彰显着IBM对于量子计算的宏伟蓝图。正如其在峰会上所言：“我们已经准备好开始实现计算的下一个浪潮，并随之实现有用的量子计算。”
IBM认为，2023年将是量子计算发展的重要拐点。这一年，IBM计划生产出一台可工作的1121个量子比特的量子计算机“神鹰”（Condor），并开发出可扩展的模块化计算架构，迎接以量子为中心的超级计算机时代的到来。