12 月 9 日，荷蘭量子硬件公司 QuantWare 在硅谷 Q2B 大會(huì)上發(fā)布了 VIO-40K 架構(gòu)，宣稱能夠支持 10,000 量子比特（qubit）的量子處理器。這個(gè)數(shù)字是當(dāng)前主流商用量子處理器的 100 倍，Google 最新的 Willow 芯片是 105 個(gè)量子比特，IBM 的 Heron 系列是 156 個(gè)。按照 QuantWare 的說(shuō)法，采用這套架構(gòu)的芯片體積反而比現(xiàn)有的百量子比特級(jí) QPU（Quantum Processor Unit，量子處理器單元）更小。

量子計(jì)算行業(yè)在過(guò)去近十年里，一直被困在一個(gè)頗為尷尬的數(shù)字區(qū)間。Google 在 2019 年用 53 量子比特的 Sycamore 芯片宣稱實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”時(shí)，曾引發(fā)軒然大波；六年后的今天，他們的 Willow 芯片也只做到 105 個(gè)量子比特。

IBM 的路線圖更是直白地告訴外界，其 156 量子比特的 Heron 系列處理器，在 2028 年之前仍將是主流規(guī)格。行業(yè)似乎默認(rèn)接受了一個(gè)現(xiàn)實(shí)：量子比特?cái)?shù)的增長(zhǎng)不會(huì)太快，而系統(tǒng)的改進(jìn)只能靠降低錯(cuò)誤率和提升門保真度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

這種停滯背后的原因主要在于，超導(dǎo)量子比特的信號(hào)控制線路會(huì)隨著規(guī)模擴(kuò)大呈指數(shù)級(jí)膨脹，二維芯片的布線空間捉襟見(jiàn)肘，而將多個(gè)小型處理器聯(lián)網(wǎng)成大系統(tǒng)又會(huì)引入噪聲和延遲，導(dǎo)致其代價(jià)高昂且效果打折。用 QuantWare CEO Matt Rijlaarsdam 的話說(shuō)：“多年來(lái)，人們一直聽(tīng)說(shuō)量子計(jì)算能改變化學(xué)、材料科學(xué)、能源等領(lǐng)域，但整個(gè)行業(yè)卻卡在 100 量子比特的天花板上，只能反復(fù)討論那些有意思但遙不可及的理論可能性。”

VIO-40K 試圖用一套全新的 3D 擴(kuò)展架構(gòu)來(lái)打破這一僵局。所謂“40K”，指的并非 40,000 個(gè)量子比特，而是其支持的 40,000 條輸入輸出線路，這是制約量子處理器向大規(guī)模擴(kuò)展時(shí)必須解決的核心工程難題之一。該架構(gòu)采用芯粒（chiplet）模塊化設(shè)計(jì)，各模塊之間通過(guò)超高保真度的芯片間連接相互通信，從而繞開(kāi)傳統(tǒng)單片設(shè)計(jì)的信號(hào)路由難題。

圖丨 VIO-40KTM 量子處理器單元（來(lái)源：QuantWare）

QuantWare 聲稱，這套方案在每瓦功耗和每美元投入的算力輸出上，都遠(yuǎn)超目前主流的多 QPU 聯(lián)網(wǎng)方案。更關(guān)鍵的是，VIO 被設(shè)計(jì)為開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，任何采用超導(dǎo)量子比特技術(shù)的團(tuán)隊(duì)都可以基于它來(lái)構(gòu)建更大規(guī)模的處理器。

這里需要稍作說(shuō)明：VIO-40K 目前仍是架構(gòu)層面的突破，首批實(shí)際產(chǎn)品預(yù)計(jì) 2028 年才會(huì)交付客戶。

與此同時(shí)，他們正在代爾夫特總部建設(shè)名為 Kilofab 的工業(yè)級(jí)量子處理器制造設(shè)施，預(yù)計(jì) 2026 年投產(chǎn)。據(jù)稱這將是全球首座專用于 QOA（Quantum Open Architecture，量子開(kāi)放架構(gòu)）設(shè)備的制造廠，產(chǎn)能將是現(xiàn)有水平的 20 倍。

說(shuō)到 QuantWare 的來(lái)歷，就不能不提代爾夫特理工大學(xué)（TU Delft）和 QuTech 這兩個(gè)名字。QuTech 是全球領(lǐng)先的量子計(jì)算研究機(jī)構(gòu)，由代爾夫特理工大學(xué)和荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究組織共同創(chuàng)建。

QuantWare 于 2021 年從 QuTech 孵化出來(lái)，兩位創(chuàng)始人 Matt Rijlaarsdam 和 Alessandro Bruno 都是量子計(jì)算領(lǐng)域的資深研究者。Bruno 擁有量子計(jì)算博士學(xué)位，此前擔(dān)任 QuTech 著名的 Leo DiCarlo 研究組的制造負(fù)責(zé)人，在超導(dǎo)量子比特芯片制造方面積累深厚。

圖丨 Matt Rijlaarsdam 和 Alessandro Bruno（來(lái)源：Quantum In）

Rijlaarsdam 則是計(jì)算機(jī)科學(xué)背景，碩士專攻量子信息與數(shù)據(jù)科學(xué)，此前還有非營(yíng)利戰(zhàn)略咨詢的經(jīng)驗(yàn)。他曾在一次采訪中形容 Bruno 是“可能是世界上最好的超導(dǎo)芯片制造者”，而兩人在 2020-2021 年的疫情居家辦公期間構(gòu)思出了 QuantWare 的商業(yè)模式。

公司選擇的路線與 IBM、Google 截然不同。后者是垂直整合的“全?！蹦Ｊ?，自己造芯片、自己組系統(tǒng)、自己提供云服務(wù)；而 QuantWare 則專注做量子處理器供應(yīng)商，類似于半導(dǎo)體行業(yè)里的芯片設(shè)計(jì)公司或代工廠，不碰終端系統(tǒng)。Rijlaarsdam 多次表示，他們的目標(biāo)是成為“量子計(jì)算時(shí)代的 Intel”。這種模塊化策略的邏輯在于：當(dāng)行業(yè)仍處于早期探索階段時(shí)，讓更多玩家能以更低成本獲取核心硬件。有助于加速整體生態(tài)的發(fā)展。

2023 年，QuantWare 完成了 600 萬(wàn)歐元種子輪融資，今年 3 月又完成了 2,000 萬(wàn)歐元的 A 輪，6 月追加 450 萬(wàn)美元，使 A 輪總額達(dá)到 2,700 萬(wàn)美元。投資方包括 Invest-NL Deep Tech Fund、Innovation Quarter 以及歐洲創(chuàng)新委員會(huì)基金等。

截至目前，該公司在全球 20 多個(gè)國(guó)家擁有客戶，包括韓國(guó)電子通信研究院、西班牙量子計(jì)算技術(shù)實(shí)驗(yàn)室等機(jī)構(gòu)。按出貨量計(jì)算，QuantWare 自稱是全球最大的商用量子硬件供應(yīng)商，當(dāng)然，這個(gè)“最大”是在一個(gè)仍然很小的市場(chǎng)里。

就在一年前，Google 發(fā)布 Willow 芯片時(shí)大張旗鼓地宣傳其量子糾錯(cuò)方面的突破，即在逐步增大量子比特陣列時(shí)，錯(cuò)誤率反而呈指數(shù)下降。這被視為量子計(jì)算領(lǐng)域數(shù)十年來(lái)追求的“閾值以下”（below threshold）里程碑。QuantWare 的 VIO-40K 并沒(méi)有在糾錯(cuò)性能上大做文章，而是直接切入規(guī)模擴(kuò)展這一核心痛點(diǎn)。

兩種敘事各有側(cè)重：Google 和 IBM 當(dāng)前的策略是將重點(diǎn)放在提高門保真度、延長(zhǎng)相干時(shí)間以及強(qiáng)化糾錯(cuò)能力這些質(zhì)量指標(biāo)上；而 QuantWare 則認(rèn)為，擴(kuò)大物理量子比特的規(guī)模同樣是推動(dòng)量子計(jì)算前進(jìn)的重要路徑，他們的工作旨在證明這種路線具備可行性。

當(dāng)然，架構(gòu)上的突破和工程實(shí)現(xiàn)之間還隔著很遠(yuǎn)的距離。10,000 個(gè)物理量子比特聽(tīng)起來(lái)震撼，但在容錯(cuò)量子計(jì)算（FTQC，F(xiàn)ault-Tolerant Quantum Computing）的語(yǔ)境下，這些物理比特需要通過(guò)糾錯(cuò)編碼被轉(zhuǎn)化為數(shù)量少得多的“邏輯量子比特”，而后者才是真正能做有用計(jì)算的單元。

Google 的研究估算，僅創(chuàng)建一個(gè)錯(cuò)誤率為 10?? 的邏輯記憶比特，就需要約 1,457 個(gè)物理量子比特。也就是說(shuō)，10,000 個(gè)物理比特可能只能支撐個(gè)位數(shù)的邏輯量子比特。

IBM 在 2023 年底發(fā)布過(guò) 1,121 量子比特的 Condor 芯片，但由于其錯(cuò)誤率較高，整體性能并未優(yōu)于同代較小規(guī)模的 Heron，更多被視作對(duì)大規(guī)模布線、封裝和制造工藝可行性的驗(yàn)證，而非真正可用于日常量子任務(wù)的“實(shí)用處理器”。這一點(diǎn)也印證了一個(gè)事實(shí)：量子比特?cái)?shù)量本身并不能直接轉(zhuǎn)化為有效算力，真正困難的是如何在大規(guī)模擴(kuò)展的同時(shí)保持可接受的門保真度和噪聲水平。

在生態(tài)層面，QuantWare 也在同步鋪設(shè)自己的合作版圖。此次發(fā)布中，他們宣布 NVIDIA 的 NVQLink 平臺(tái)已加入 VIO-40K 兼容生態(tài)。NVQLink 是 NVIDIA 推出的量子-經(jīng)典混合計(jì)算接口，允許量子處理器與 GPU 加速的經(jīng)典超算實(shí)現(xiàn)低延遲、高吞吐量的協(xié)同工作。開(kāi)發(fā)者可以通過(guò) NVIDIA 的 CUDA-Q 平臺(tái)同時(shí)調(diào)度量子和經(jīng)典計(jì)算資源。在容錯(cuò)量子計(jì)算真正到來(lái)之前，“量子-經(jīng)典混合”被認(rèn)為是最現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用路徑之一，而 QuantWare 顯然也想在這個(gè)賽道上占據(jù)有利位置。

此外，QuantWare 在 11 月剛剛聯(lián)合 Q-CTRL、Qblox 發(fā)布了 QUB（Quantum Utility Block，量子效用模塊），這是一套預(yù)驗(yàn)證的全棧量子計(jì)算機(jī)參考設(shè)計(jì)。它的目標(biāo)客戶是那些想要部署本地量子計(jì)算系統(tǒng)、但又不想從零開(kāi)始組裝的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)。首個(gè) QUB 系統(tǒng)正在與美國(guó)科羅拉多州的 Elevate Quantum 合作部署。這樣一來(lái)，QuantWare 既能賣芯片，也能賣整機(jī)。

QuantWare 的計(jì)劃是 2028 年交付首批 VIO-40K 芯片，單顆定價(jià)約 5,000 萬(wàn)歐元。Kilofab 工廠能否如期投產(chǎn)、實(shí)際芯片的良率和性能表現(xiàn)如何，都還是未知數(shù)。但 10,000 這個(gè)數(shù)字至少說(shuō)明，規(guī)模擴(kuò)展的技術(shù)路徑不止一條。

參考資料：

1.https://quantware.com/technology

2.https://interestingengineering.com/innovation/quantware-qpu-10k-qubits

運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍