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

北京時(shí)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(gè)量子生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)重要里程碑。同時(shí)，其發(fā)布也算是如期而至，IBM在2019年10月發(fā)布了量子計(jì)算路線圖，預(yù)計(jì)今年可以到達(dá)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(gè)原因：

· Eagle是首臺(tái)擁有127個(gè)高質(zhì)量量子位的量子計(jì)算機(jī)，超越了中國(guó)“九章二號(hào)”113個(gè)量子比特量子機(jī)。

· Eagle超出了經(jīng)典計(jì)算機(jī)的模擬能力——這對(duì)于量子科學(xué)來(lái)說(shuō)是未知的領(lǐng)域。

· Eagle的架構(gòu)包含許多技術(shù)改進(jìn)，將幫助IBM在2023年末實(shí)現(xiàn)其無(wú)摩擦計(jì)算的目標(biāo)。

· Eagle 的技術(shù)改進(jìn)也是IBM未來(lái)量子處理器（IBM計(jì)劃在2022年推出具有433個(gè)量子位的“Osprey”芯片以及具有1121個(gè)量子位的“Condor”芯片）開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)。

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

在最近的技術(shù)分析師會(huì)議上，IBM量子硬件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)總監(jiān)Jerry Chow表示，“我可以肯定地說(shuō)，這是有史以來(lái)最先進(jìn)的量子計(jì)算芯片。事實(shí)上，它不僅建好了，我們的Eagle也著陸了。這是世界上首個(gè)超過(guò)100 個(gè)量子位的量子處理器。就此而言，它有127個(gè)量子位排列在我們眾所周知的重六邊形晶格中。讓我強(qiáng)調(diào)一下，它不僅是我們制造的一個(gè)處理器，也是一個(gè)運(yùn)行著量子電路的完整工作系統(tǒng)。”

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

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

Eagle 3D 架構(gòu)，IBM

規(guī)模、質(zhì)量和速度很重要

IBM使用三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)來(lái)衡量量子計(jì)算性能——規(guī)模、質(zhì)量和速度。在規(guī)模上，它通過(guò)其系統(tǒng)中的量子比特?cái)?shù)來(lái)衡量其進(jìn)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(jì)算性能的三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)：規(guī)模、質(zhì)量、速度（圖源：IBM）

量子比特的數(shù)量至關(guān)重要，因?yàn)樗鼪Q定了量子機(jī)器可以處理的計(jì)算復(fù)雜性的程度。擴(kuò)展量子位和硬件不是一蹴而就的。它是一項(xiàng)系統(tǒng)的、長(zhǎng)期的研究工作，通常會(huì)產(chǎn)生微小但重要的漸進(jìn)式改進(jìn)。

談到對(duì)高性能賽車的改進(jìn)。你不能僅僅通過(guò)簡(jiǎn)單地安裝一套新輪胎來(lái)使車輛更快。一個(gè)競(jìng)賽科學(xué)團(tuán)隊(duì)會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試而做出許多小的改變，包括燃料混合物、化油器設(shè)置、齒輪比、車身空氣動(dòng)力學(xué)、重量分布等等。

IBM使用相同類型的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)量子位的改進(jìn)和增量擴(kuò)展。2019 年，通過(guò)使超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)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(diǎn)陣排列提高了產(chǎn)額，減少了量子位對(duì)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(cè)量從每量子比特一條線減少到每八個(gè)量子比特一條線的多路讀出。這項(xiàng)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(kuò)展到“Eagle”的127量子位提供了空間。

圖源：IBM

IBM 認(rèn)為質(zhì)量是衡量其技術(shù)實(shí)現(xiàn)足夠深度的量子電路效果的一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)。它使用一種被稱為量子體積（Quantum Volume）的整體指標(biāo)來(lái)衡量質(zhì)量。

量子體積是IBM在2017年推出，其考慮了幾個(gè)因素，包括量子位的數(shù)量、量子位的互連方式、門和測(cè)量誤差、設(shè)備串?dāng)_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(cuò)誤等因素。

對(duì)于IBM來(lái)說(shuō)，將量子體積的計(jì)算納入基準(zhǔn)速度作為其測(cè)量的一部分是非常重要的。同時(shí)，了解系統(tǒng)解決問(wèn)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(cè)量速度至關(guān)重要，因?yàn)榭焖佟⒏哔|(zhì)量的電路可以在更短的時(shí)間內(nèi)解決復(fù)雜的問(wèn)題。一旦量子體積基準(zhǔn)測(cè)試確定了電路質(zhì)量，隨后就可以編譯電路并在硬件上運(yùn)行以計(jì)算CLOPS。

通過(guò)廣泛的研究，IBM開(kāi)發(fā)了幾種提高電路速度的方法，例如：

· 轉(zhuǎn)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(shí)間。

· 先進(jìn)的控制器電子設(shè)備為準(zhǔn)備寄存器以運(yùn)行下一個(gè)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(jí)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(shí)間從1000 微秒減少到70微秒。

· Qiskit Runtime將處理時(shí)間加快了120倍。經(jīng)典計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算在一種架構(gòu)中協(xié)同工作，該架構(gòu)通過(guò)將經(jīng)典資源定位在靠近量子處理的位置來(lái)減少延遲。在Qiskit Runtime執(zhí)行環(huán)境中運(yùn)行量子程序時(shí)，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(zhì)量很重要

模擬大型化學(xué)分子是我們期望未來(lái)量子計(jì)算機(jī)能夠完成的一項(xiàng)任務(wù)。然而，它需要在容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行數(shù)百萬(wàn)個(gè)量子位。這種規(guī)模和能力的量子計(jì)算機(jī)還需要很多年才能實(shí)現(xiàn)。

圖源：IBM

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

計(jì)算需要運(yùn)行48億個(gè)量子電路，在經(jīng)典計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)之間來(lái)回傳遞。這個(gè)問(wèn)題被定義為一個(gè)量子電路，由量子計(jì)算機(jī)評(píng)估，然后由經(jīng)典計(jì)算機(jī)更新以找到最優(yōu)值，最后發(fā)送回量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行另一次運(yùn)行。重復(fù)該過(guò)程直到找到解決方案。

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

質(zhì)量和速度的改進(jìn)帶來(lái)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(shí)間從1000 微秒減少到了70 微秒。

最重要的是，在這個(gè)例子中，速度在量子計(jì)算中的重要性變得顯而易見(jiàn)。需要運(yùn)行48億個(gè)量子電路意味著高電路重復(fù)率至關(guān)重要。

在本實(shí)驗(yàn)中，只要考慮其中一個(gè)因素就可以表明為什么量子速度是至關(guān)重要的。由于重置量子位寄存器只需幾微秒，實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟趲讉€(gè)小時(shí)內(nèi)完成；而另一方面，如果它需要幾毫秒的時(shí)間，則需要將近一年的時(shí)間才能獲得結(jié)果。很少有研究人員會(huì)開(kāi)始一項(xiàng)在一年后才會(huì)得出結(jié)果的實(shí)驗(yàn)。

最后

在最近的一次分析師會(huì)議上，IBM院士兼量子計(jì)算副總裁Jay Gambetta表示，“我們預(yù)計(jì)，通過(guò)Eagle，我們的用戶將能夠探索未知的計(jì)算領(lǐng)域，并在通往實(shí)用量子計(jì)算的道路上經(jīng)歷一個(gè)關(guān)鍵的里程碑。”

Gambetta進(jìn)一步解釋稱，IBM 希望開(kāi)始關(guān)注量子位所能做的有用工作，并開(kāi)始討論性能。

就我個(gè)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(xiě)的論文。已經(jīng)有超過(guò)700篇論文是使用IBM Quantum系統(tǒng)的早期版本編寫(xiě)的。

除此之外，IBM行動(dòng)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(shí)間。然后，在那之后的12個(gè)月后，1121量子比特處理器“Condor”上線時(shí)，我們將迎來(lái)真正的享受。

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