联网量子计算机来了！IonQ收购量子网络公司

光子盒研究院出品

今天，离子阱量子计算公司IonQ宣布收购Entangled Networks公司的运营资产，该公司位于多伦多，专注于实现跨多个分布式量子处理器的计算。作为交易的一部分，Entangled Networks团队将加入IonQ，成立IonQ加拿大公司，加强IonQ已经在不断增长的国际存在。这是IonQ的首次企业收购。

Entangled Networks是一家成立于2021年2月的新公司，它得到了位于耶路撒冷的投资平台OurCrowd的支持。根据其主页，其合作伙伴还包括加拿大的ventureLAB、MaRS和INO，以及微软、英伟达和IBM Quantum。

联网量子计算机

经典超级计算机是通过将尽可能多的核放在一个处理器上，然后将这些处理器/计算机联网在一起实现的。应用程序被划分到多个核和处理器上，以分配工作负载，并通过网络在不同的处理器之间进行通信。

要让量子计算机大规模扩展，需要遵循类似的模型。未来的量子计算机将需要由多个处理器构建而成，并联网在一起。但与经典网络不同的是，量子计算机允许核之间的纠缠形成一个大得多的量子计算机。量子计算机使用网络进行计算，而不是通信。

Entagled Networks技术描述

对Entangled Networks的收购进一步实现了IonQ开发能够支持未来量子网络的量子系统的目标。IonQ自己的量子网络硬件目前正在开发中，IonQ预计在2023年展示两台量子计算机之间的量子网络的早期版本。

Entangled Networks专门开发用于连接数据中心内的多个量子处理器以创建更大系统的硬件和软件解决方案。这与IonQ的战略不谋而合，因为他们长期以来一直计划使用模块化量子计算方法来扩展他们的量子计算机。

使用光子互连的量子多核架构的概念图

实现这一点非常具有挑战性。不仅必须为互连开发必要的硬件组件，而且重要的是拥有良好的优化软件来采用大型量子程序并将其拆分到多个处理单元中。不同处理器之间的门操作将比单个处理器内的门操作慢得多且保真度低。多处理器系统可能不具有单个离子阱设备中的量子比特的全连接。编译软件会尽量减少处理器间门操作的使用，以提高系统性能，但不能完全消除处理器间门操作。

为了实现联网，IonQ做了很多前期工作。例如，2021年8月，他们首次推出可重构多核量子架构，预计可将每个芯片的量子比特数量扩展到数百个。随后，他们启用了新的钡量子比特，据称这是一种更容易联网的量子系统。公司计划将多个量子处理单元与光连接在一起创建一个处理能力大大提高的模块化系统，钡量子比特将为更高水平的设备集成和更容易的多系统联网铺平道路。

Entangled Networks的MultiQopt产品为模块化系统架构(例如IonQ开发的)提供了量子电路优化。因为量子处理器(QPU)集群的互连不是简单的构建光纤网络并将设备连接在一起的问题。与经典集群不同，量子力学定律不允许克隆量子数据，这就是为什么配置必须使用特殊的硬件、算法和编程来处理。

Entangled Networks的多核技术和工程团队提供：

由光收集系统和网络结构交换机组成的硬件

包含算法库、优化控制器和实时网络控制的软件

网络专业知识

IonQ的总裁兼首席执行官Peter Chapman解释说：“随着今天对Entangled Networks的收购，IonQ离开发能够解决当今和未来最复杂问题的量子网络又近了一步。虽然经典的超级计算机网络在处理器之间进行通信以划分工作负载，但我们的量子网络的目标是大规模纠缠量子比特，这将带来更大、更强的计算系统。我们今天正在为未来的增长、可扩展性和量子的采用奠定基础。”

在接下来几年，IonQ计划将收购的技术集成到其量子计算机架构中。全面的模块化连接将提供系统内任何量子比特之间的连接，位于任何数量的量子处理器之间。高度可扩展的架构应该足够强大，能够执行大规模、复杂的量子计算问题，而不管问题的结构如何。

实际上，IonQ本身拥有开发QPU网络所需技术的内部能力。在过去的十年里，IonQ联合创始人Chris Monroe、Jungsang Kim和其他人研究了使用QPU设备之间的高带宽连接将量子计算机联网所需的技术。但收购Entangled Networks是比继续在内部开发该技术更好、更有效的选择。IonQ在获得网络技术的同时，还节省了大量的开发成本。

联网是必然，但现在是好的时机吗？

量子计算机未来必须联网，这是行业共识，但现在是好的时机吗？特别是单机仍有巨大发展空间的情况下。实际上，IBM也在推进模块化量子处理器，今年除了推出1121量子比特的Condor芯片，还将推出133量子比特的模块化量子处理器Heron。从2024年开始，IBM将全面启用模块化处理器。

IBM量子计算路线图

对比IBM的路线图，IonQ计划今年将量子计算机联网似乎并不算早，但是对比两家公司的量子比特数，就会发现差异所在。目前IBM单个芯片已经做到了433个量子比特，即使是做成模块化，单个芯片至少也是133个量子比特。IonQ多少呢？32个量子比特。

只有32个量子比特，IonQ就开始寻求联网，可能与离子阱技术的扩展性有关，因为单个阱中可容纳的离子数有限，目前而言，单个阱中不可能容纳433个离子。因此，为了扩展量子比特数，需要提前走上联网之路。

需要说明的是，将多个量子处理器合在一起组成一个大的处理器，与量子计算机的联网还是有所区别。例如，IBM将于2024年推出的1386+量子比特Flamingo，虽然由多个处理器组成，但如果只需要一套配套设施，相当于还是同一台量子计算机。联网量子计算机则指的是不同量子计算机之间的连接。

从已有的信息来看，IonQ确实是整机之间的连接。这样一来，一个离子阱就需要配上全套的真空、激光和探测设备。假设每个离子阱32量子比特，扩展到1000量子比特可能需要30多套设备，一个足球场都放不下。不过，离子阱量子计算机的小型化，一直都是学术界和产业界努力的方向。

离子阱量子计算机的扩展之路（图中时间为预测）

究竟IonQ最终呈现的联网量子计算机是什么样子，今年的余下时间让我们共同期待。下面这个视频可以帮助您更好地理解离子阱量子计算机的联网：

参考资料：

[1]https://ionq.com/news/networked-quantum-computers-ionq-acquires-assets-of-entangled-networks

[2]https://www.forbes.com/sites/moorinsights/2023/01/10/ionqs-acquires-entangled-networks-and-locks-in-quantum-networking-technology-critical-to-its-future-success/?sh=369ec403784f