IBM Quantum最近發布其新一代量子處理器“Eagle”，具有127量子比特，該量子處理器的發布是整個量子生態系統的一個重要里程碑。同時，其發布也算是如期而至，IBM在2019年10月發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是首台擁有127個高質量量子位的量子計算機，超越了中國113個量子比特量子計算機。
· Eagle超出了經典計算機的模擬能力——這對於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）開發的基礎。
· Eagle 是最後一款被開發用於IBM Quantum System One的量子處理器。接下來的兩代——“Osprey”和“Condor”，將用於IBM Quantum System Two 。
在最近的技術分析師會議上，IBM量子硬件系統開發總監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也着陸了。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，它不僅是我們製造的一個處理器，也是一個運行着量子電路的完整工作系統。”
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的接線和電子設備的數量。
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——規模、質量和速度。在規模上，它通過其系統中的量子比特數來衡量其進度。此外，在雙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：規模、質量、速度（圖源：IBM）
量子比特的數量至關重要，因為它決定了量子機器可以處理的計算複雜性的程度。擴展量子位和硬件不是一蹴而就的。它是一項系統的、長期的研究工作，通常會產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、重量分佈等等。
IBM使用相同類型的方法來實現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額，減少了量子位對量子位的干擾。
去年，IBM發布了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。這項創新為低溫系統創造了更多空間，為其從65量子位擴展到“Eagle”的127量子位提供了空間。
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IBM 認為質量是衡量其技術實現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。
對於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，了解系統解決問題的速度是也很重要的。
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IBM將速度定義為電路層每秒操作數 (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解決複雜的問題。一旦量子體積基準測試確定了電路質量，隨後就可以編譯電路並在硬件上運行以計算CLOPS。
通過廣泛的研究，IBM開發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。在下一節中，用於模擬氫化鋰分子的高級控制系統提供了更好的讀數和更快的量子位重置性能。它將每批電路的執行時間從1000 微秒減少到70微秒。
· Qiskit Runtime將處理時間加快了120倍。經典計算機和量子計算在一種架構中協同工作，該架構通過將經典資源定位在靠近量子處理的位置來減少延遲。在Qiskit Runtime執行環境中運行量子程序時，可以充分利用IBM 混合雲處理大部分工作的能力。
為什麼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百萬個量子位。這種規模和能力的量子計算機還需要很多年才能實現。
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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，模擬完全在雲上完成，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勢。
計算需要運行48億個量子電路，在經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，然後由經典計算機更新以找到最優值，最後發送回量子計算機進行另一次運行。重複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複電路運行次數減少了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着高電路重複率至關重要。
在本實驗中，只要考慮其中一個因素就可以表明為什麼量子速度是至關重要的。由於重置量子位寄存器只需幾微秒，實驗能夠在幾個小時內完成；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後才會得出結果的實驗。
最後
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，並在通往實用量子計算的道路上經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，並開始討論性能。
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。已經有超過700篇論文是使用IBM Quantum系統的早期版本編寫的。
除此之外，IBM行動迅速。根據其路線圖上的日期，距離433量子比特處理器的上線只有一年時間。然後，在那之後的12個月後，1121量子比特處理器“Condor”上線時，我們將迎來真正的享受。