IBM推出127量子比特量子计算机：改变规则 重新定义规模、质量和速度

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127量子比特的Eagle之所以重要，有以下几个原因：

· Eagle是首台拥有127个高质量量子位的量子计算机，超越了中国113个量子比特量子计算机。

· Eagle超出了经典计算机的模拟能力——这对于量子科学来说是未知的领域。

· Eagle的架构包含许多技术改进，将帮助IBM在2023年末实现其无摩擦计算的目标。

· Eagle 的技术改进也是IBM未来量子处理器（IBM计划在2022年推出具有433个量子位的“Osprey”芯片以及具有1121个量子位的“Condor”芯片）开发的基础。

· Eagle 是最后一款被开发用于IBM Quantum System One的量子处理器。接下来的两代——“Osprey”和“Condor”，将用于IBM Quantum System Two 。

在最近的技术分析师会议上，IBM量子硬件系统开发总监Jerry Chow表示，“我可以肯定地说，这是有史以来最先进的量子计算芯片。事实上，它不仅建好了，我们的Eagle也着陆了。这是世界上首个超过100 个量子位的量子处理器。就此而言，它有127个量子位排列在我们众所周知的重六边形晶格中。让我强调一下，它不仅是我们制造的一个处理器，也是一个运行着量子电路的完整工作系统。”

Eagle芯片使用多路复用，而非为每个量子位的控制和读出电子设备集。这减少了稀释冰箱内的接线和电子设备的数量。

该处理器还为所有量子位提供可扩展的接入布线，使用3D集成在多个物理层上放置微波电路组件和布线。

Eagle 3D 架构，IBM

规模、质量和速度很重要

IBM使用三个关键指标来衡量量子计算性能——规模、质量和速度。在规模上，它通过其系统中的量子比特数来衡量其进度。此外，在双量子位门操作中可以包含任何量子位。

衡量量子计算性能的三个关键指标：规模、质量、速度（图源：IBM）

量子比特的数量至关重要，因为它决定了量子机器可以处理的计算复杂性的程度。扩展量子位和硬件不是一蹴而就的。它是一项系统的、长期的研究工作，通常会产生微小但重要的渐进式改进。

谈到对高性能赛车的改进。你不能仅仅通过简单地安装一套新轮胎来使车辆更快。一个竞赛科学团队会因为长时间的测试而做出许多小的改变，包括燃料混合物、化油器设置、齿轮比、车身空气动力学、重量分布等等。

IBM使用相同类型的方法来实现量子位的改进和增量扩展。2019 年，通过使超导约瑟夫森结更加可靠，27量子位的“Falcon”处理器成为可能。除此之外，不同的量子位点阵排列提高了产额，减少了量子位对量子位的干扰。

去年，IBM发布了65量子比特“Hummingbird”量子处理器，其量子读出和测量从每量子比特一条线减少到每八个量子比特一条线的多路读出。这项创新为低温系统创造了更多空间，为其从65量子位扩展到“Eagle”的127量子位提供了空间。

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IBM 认为质量是衡量其技术实现足够深度的量子电路效果的一个衡量标准。它使用一种被称为量子体积（Quantum Volume）的整体指标来衡量质量。

量子体积是IBM在2017年推出，其考虑了几个因素，包括量子位的数量、量子位的互连方式、门和测量误差、设备串扰以及电路编译器效率等。量子体积还考虑了诸如材料损失和其他缺陷以及控制和读出错误等因素。

对于IBM来说，将量子体积的计算纳入基准速度作为其测量的一部分是非常重要的。同时，了解系统解决问题的速度是也很重要的。

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IBM将速度定义为电路层每秒操作数 (CLOPS)。测量速度至关重要，因为快速、高质量的电路可以在更短的时间内解决复杂的问题。一旦量子体积基准测试确定了电路质量，随后就可以编译电路并在硬件上运行以计算CLOPS。

通过广泛的研究，IBM开发了几种提高电路速度的方法，例如：

· 转换为更快的量子比特操作门。

· 高保真快速读出，最大限度地减少量子位重置和重用所需的时间。

· 先进的控制器电子设备为准备寄存器以运行下一个电路提供更快的操作，10-20 微秒量子位重置，及更好的整体控制。在下一节中，用于模拟氢化锂分子的高级控制系统提供了更好的读数和更快的量子位重置性能。它将每批电路的执行时间从1000 微秒减少到70微秒。

· Qiskit Runtime将处理时间加快了120倍。经典计算机和量子计算在一种架构中协同工作，该架构通过将经典资源定位在靠近量子处理的位置来减少延迟。在Qiskit Runtime执行环境中运行量子程序时，可以充分利用IBM 混合云处理大部分工作的能力。

为什么量子位门速度和量子位质量很重要

模拟大型化学分子是我们期望未来量子计算机能够完成的一项任务。然而，它需要在容错量子计算机上运行数百万个量子位。这种规模和能力的量子计算机还需要很多年才能实现。

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目前，量子计算机的能力限制了对小分子的模拟。在上图的情况下，IBM 计算了双原子氢化锂 (LiH) 分子的结合能，模拟完全在云上完成，同时，使用错误缓解来减少错误。它还使用了Qiskit Runtime，其提供了显著的速度优势。

计算需要运行48亿个量子电路，在经典计算机和量子计算机之间来回传递。这个问题被定义为一个量子电路，由量子计算机评估，然后由经典计算机更新以找到最优值，最后发送回量子计算机进行另一次运行。重复该过程直到找到解决方案。

除了算法的改进之外，硬件速度和质量在减少迭代次数方面也起到了至关重要的作用。改进的处理器性能使每次算法迭代所需的重复电路运行次数减少了10倍。

质量和速度的改进带来了更好的读出和更快的量子位重置性能，将每批电路的执行时间从1000 微秒减少到了70 微秒。

最重要的是，在这个例子中，速度在量子计算中的重要性变得显而易见。需要运行48亿个量子电路意味着高电路重复率至关重要。

在本实验中，只要考虑其中一个因素就可以表明为什么量子速度是至关重要的。由于重置量子位寄存器只需几微秒，实验能够在几个小时内完成；而另一方面，如果它需要几毫秒的时间，则需要将近一年的时间才能获得结果。很少有研究人员会开始一项在一年后才会得出结果的实验。

最后

在最近的一次分析师会议上，IBM院士兼量子计算副总裁Jay Gambetta表示，“我们预计，通过Eagle，我们的用户将能够探索未知的计算领域，并在通往实用量子计算的道路上经历一个关键的里程碑。”

Gambetta进一步解释称，IBM 希望开始关注量子位所能做的有用工作，并开始讨论性能。

就我个人而言，我很期待看到研究人员使用IBM新的127量子位处理器撰写的论文。已经有超过700篇论文是使用IBM Quantum系统的早期版本编写的。

除此之外，IBM行动迅速。根据其路线图上的日期，距离433量子比特处理器的上线只有一年时间。然后，在那之后的12个月后，1121量子比特处理器“Condor”上线时，我们将迎来真正的享受。