IBM推出127量子比特量子計算機：改變規(guī)則 重新定義規(guī)模、質量和速度

北京時間12月3日消息（余予）IBM Quantum最近發(fā)布其新一代量子處理器“Eagle”，具有127量子比特，該量子處理器的發(fā)布是整個量子生態(tài)系統(tǒng)的一個重要里程碑。同時，其發(fā)布也算是如期而至，IBM在2019年10月發(fā)布了量子計算路線圖，預計今年可以到達100量子比特以上。

圖源：IBM

127量子比特的Eagle之所以重要，有以下幾個原因：

· Eagle是首臺擁有127個高質量量子位的量子計算機，超越了中國“九章二號”113個量子比特量子機。

· Eagle超出了經(jīng)典計算機的模擬能力——這對于量子科學來說是未知的領域。

· Eagle的架構包含許多技術改進，將幫助IBM在2023年末實現(xiàn)其無摩擦計算的目標。

· Eagle 的技術改進也是IBM未來量子處理器（IBM計劃在2022年推出具有433個量子位的“Osprey”芯片以及具有1121個量子位的“Condor”芯片）開發(fā)的基礎。

· Eagle 是最后一款被開發(fā)用于IBM Quantum System One的量子處理器。接下來的兩代——“Osprey”和“Condor”，將用于IBM Quantum System Two 。

在最近的技術分析師會議上，IBM量子硬件系統(tǒng)開發(fā)總監(jiān)Jerry Chow表示，“我可以肯定地說，這是有史以來最先進的量子計算芯片。事實上，它不僅建好了，我們的Eagle也著陸了。這是世界上首個超過100 個量子位的量子處理器。就此而言，它有127個量子位排列在我們眾所周知的重六邊形晶格中。讓我強調一下，它不僅是我們制造的一個處理器，也是一個運行著量子電路的完整工作系統(tǒng)。”

Eagle芯片使用多路復用，而非為每個量子位的控制和讀出電子設備集。這減少了稀釋冰箱內(nèi)的接線和電子設備的數(shù)量。

該處理器還為所有量子位提供可擴展的接入布線，使用3D集成在多個物理層上放置微波電路組件和布線。

Eagle 3D 架構，IBM

規(guī)模、質量和速度很重要

IBM使用三個關鍵指標來衡量量子計算性能——規(guī)模、質量和速度。在規(guī)模上，它通過其系統(tǒng)中的量子比特數(shù)來衡量其進度。此外，在2量子位門操作中可以包含任何量子位。

衡量量子計算性能的三個關鍵指標：規(guī)模、質量、速度（圖源：IBM）

量子比特的數(shù)量至關重要，因為它決定了量子機器可以處理的計算復雜性的程度。擴展量子位和硬件不是一蹴而就的。它是一項系統(tǒng)的、長期的研究工作，通常會產(chǎn)生微小但重要的漸進式改進。

談到對高性能賽車的改進。你不能僅僅通過簡單地安裝一套新輪胎來使車輛更快。一個競賽科學團隊會因為長時間的測試而做出許多小的改變，包括燃料混合物、化油器設置、齒輪比、車身空氣動力學、重量分布等等。

IBM使用相同類型的方法來實現(xiàn)量子位的改進和增量擴展。2019 年，通過使超導約瑟夫森結更加可靠，27量子位的“Falcon”處理器成為可能。除此之外，不同的量子位點陣排列提高了產(chǎn)額，減少了量子位對量子位的干擾。

去年，IBM發(fā)布了65量子比特“Hummingbird”量子處理器，其量子讀出和測量從每量子比特一條線減少到每八個量子比特一條線的多路讀出。這項創(chuàng)新為低溫系統(tǒng)創(chuàng)造了更多空間，為其從65量子位擴展到“Eagle”的127量子位提供了空間。

圖源：IBM

IBM 認為質量是衡量其技術實現(xiàn)足夠深度的量子電路效果的一個衡量標準。它使用一種被稱為量子體積（Quantum Volume）的整體指標來衡量質量。

量子體積是IBM在2017年推出，其考慮了幾個因素，包括量子位的數(shù)量、量子位的互連方式、門和測量誤差、設備串擾以及電路編譯器效率等。量子體積還考慮了諸如材料損失和其他缺陷以及控制和讀出錯誤等因素。

對于IBM來說，將量子體積的計算納入基準速度作為其測量的一部分是非常重要的。同時，了解系統(tǒng)解決問題的速度是也很重要的。

圖源：IBM

IBM將速度定義為電路層每秒操作數(shù) (CLOPS)。測量速度至關重要，因為快速、高質量的電路可以在更短的時間內(nèi)解決復雜的問題。一旦量子體積基準測試確定了電路質量，隨后就可以編譯電路并在硬件上運行以計算CLOPS。

通過廣泛的研究，IBM開發(fā)了幾種提高電路速度的方法，例如：

· 轉換為更快的量子比特操作門。

· 高保真快速讀出，最大限度地減少量子位重置和重用所需的時間。

· 先進的控制器電子設備為準備寄存器以運行下一個電路提供更快的操作，10-20 微秒量子位重置，及更好的整體控制。在下一節(jié)中，用于模擬氫化鋰分子的高級控制系統(tǒng)提供了更好的讀數(shù)和更快的量子位重置性能。它將每批電路的執(zhí)行時間從1000 微秒減少到70微秒。

· Qiskit Runtime將處理時間加快了120倍。經(jīng)典計算機和量子計算在一種架構中協(xié)同工作，該架構通過將經(jīng)典資源定位在靠近量子處理的位置來減少延遲。在Qiskit Runtime執(zhí)行環(huán)境中運行量子程序時，可以充分利用IBM 混合云處理大部分工作的能力。

為什么量子位門速度和量子位質量很重要

模擬大型化學分子是我們期望未來量子計算機能夠完成的一項任務。然而，它需要在容錯量子計算機上運行數(shù)百萬個量子位。這種規(guī)模和能力的量子計算機還需要很多年才能實現(xiàn)。

圖源：IBM

目前，量子計算機的能力限制了對小分子的模擬。在上圖的情況下，IBM 計算了雙原子氫化鋰 (LiH) 分子的結合能，模擬完全在云上完成，同時，使用錯誤緩解來減少錯誤。它還使用了Qiskit Runtime，其提供了顯著的速度優(yōu)勢。

計算需要運行48億個量子電路，在經(jīng)典計算機和量子計算機之間來回傳遞。這個問題被定義為一個量子電路，由量子計算機評估，然后由經(jīng)典計算機更新以找到最優(yōu)值，最后發(fā)送回量子計算機進行另一次運行。重復該過程直到找到解決方案。

除了算法的改進之外，硬件速度和質量在減少迭代次數(shù)方面也起到了至關重要的作用。改進的處理器性能使每次算法迭代所需的重復電路運行次數(shù)減少了10倍。

質量和速度的改進帶來了更好的讀出和更快的量子位重置性能，將每批電路的執(zhí)行時間從1000 微秒減少到了70 微秒。

最重要的是，在這個例子中，速度在量子計算中的重要性變得顯而易見。需要運行48億個量子電路意味著高電路重復率至關重要。

在本實驗中，只要考慮其中一個因素就可以表明為什么量子速度是至關重要的。由于重置量子位寄存器只需幾微秒，實驗能夠在幾個小時內(nèi)完成；而另一方面，如果它需要幾毫秒的時間，則需要將近一年的時間才能獲得結果。很少有研究人員會開始一項在一年后才會得出結果的實驗。

最后

在最近的一次分析師會議上，IBM院士兼量子計算副總裁Jay Gambetta表示，“我們預計，通過Eagle，我們的用戶將能夠探索未知的計算領域，并在通往實用量子計算的道路上經(jīng)歷一個關鍵的里程碑。”

Gambetta進一步解釋稱，IBM 希望開始關注量子位所能做的有用工作，并開始討論性能。

就我個人而言，我很期待看到研究人員使用IBM新的127量子位處理器撰寫的論文。已經(jīng)有超過700篇論文是使用IBM Quantum系統(tǒng)的早期版本編寫的。

除此之外，IBM行動迅速。根據(jù)其路線圖上的日期，距離433量子比特處理器的上線只有一年時間。然后，在那之后的12個月后，1121量子比特處理器“Condor”上線時，我們將迎來真正的享受。

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