解读IBM量子处理器新的拓扑结构：为了减少错误而做出的妥协

光子盒研究院出品 

量子计算机是人类有史以来最复杂的机器之一。但是，你使用它们的复杂程度对其性能和可扩展性产生重大影响。行业领导者有时会采取截然不同的方法，这也许并不奇怪。

以IBM为例。从本周一开始，所有的IBM量子处理器都将使用六边形布局，其特点是量子比特之间的连接大大少于其早期设计以及竞争对手谷歌和Rigetti Computing使用的方形布局。

 谷歌Sycamore处理器中量子比特的布局(X代表量子比特，方块代表可调谐耦合器)

这是IBM对不同处理器拓扑进行数年实验的结果，这些拓扑结构描述了设备的物理布局和量子比特之间的连接。新的拓扑结构导致IBM量子处理器的连接性降低，尽管由IBM提出的性能衡量指标“量子体积”高度重视连接性。

然而连接也是有代价的。今天的量子处理器容易出错，量子比特之间的连接越多，问题就越严重。IBM研究员Paul Nation表示，降低连接性导致错误呈指数级减少，这将帮助他们更快地扩展到解决实际问题所需的更大的处理器。

IBM去年首次引入了所谓的“重六边形”(heavy-hex)拓扑，并且已经逐渐淘汰了采用其他布局的处理器。从本周一(8月9日)开始，IBM Cloud上所有可用的20多个处理器都将改为新的拓扑结构。Nation表示，在其量子路线图中列出的所有设备中都将使用重六边形结构，至少在计划于2023年推出的1121量子比特Condor处理器之前是这样。

所谓“重六边形”网格。深蓝色表示用于控制的三个不同频率(深蓝色)和绿色和紫色表示两组目标量子比特。

“从短期来看，这是痛苦的，”Nation说。“但考虑的不是今天最好，而是明天最好。”

如上图所示，基本构建块是排列在六边形中的12个量子比特，六条边和六个角上都有一个量子比特。边上的量子比特只能连接到两个最近的相邻量子比特，而角上的量子比特可以连接到三个量子比特，这使得将六边形并排以构建更大的处理器成为可能。

这种布局与IBM早期处理器以及大多数其他基于超导量子比特的量子计算机中使用的方形网格相比，连接显著减少。在这种拓扑结构中，量子比特通常与四个相邻的量子比特相连(例如谷歌Sycamore)，形成一个方形网格。而霍尼韦尔和IonQ制造的离子阱量子计算机更进一步，允许任意两个量子比特之间的相互作用，尽管这项技术也有自身的挑战。

霍尼韦尔的量子比特布局

Nation说，这一决定是由IBM使用的量子比特类型决定的。谷歌和Rigetti等公司使用的量子比特可以调整以响应不同的微波频率，但IBM的量子比特在制造阶段已经固定。这使它们更容易构建，并降低了控制系统的复杂性。但这种布局也使同时控制多个量子比特时更难避免频率冲突。此外，连接永远无法完全关闭，因此即使不参与操作，量子比特仍然对其相邻量子比特产生微弱的影响。

这两种现象都可能导致计算中断，但是通过改为连接较少的拓扑结构，IBM研究人员能够显著减少这两种影响，从而导致错误呈指数下降。

日本理化研究所(Riken)理论量子物理实验室的首席科学家Franco Nori说，连接性的降低使得实现量子线路变得更加困难。如果两个量子比特没有直接连接，那么让它们相互作用需要一系列交换操作，将它们的值从一个量子比特传递到另一个量子比特，直到它们彼此相邻。Nori说，直接连接越少，所需的操作就越多，而且由于每个操作都容易出错，所以这个过程就像一场“电话”游戏。

“你把信息悄悄地告诉你的邻居，但当它传到另一边时，很可能是一句废话，所以你不想有很多中间人。”

Nation说，连接性的降低确实会增加所需的操作数量。但该团队发现，随着设备规模的扩大，开销只是线性增加。如果保持每次操作错误的指数级减少，其影响将迅速减弱。他说，“如果你能继续提高你的两个量子比特的性能，随着时间的推移，你将弥补这一成本。”

错误是否会继续呈指数级减少尚不清楚。Nation承认，大部分收益来自连接性的降低，而这一途径现在已经饱和。进一步的进展需要来自材料科学和硬件设计等其他领域的进步。

芝加哥大学研究量子计算的教授Fred Chong说，IBM的选择是有道理的。虽然谷歌的可调谐量子比特可以支持更多的连接，但它们的构建也更加复杂。这使得扩大规模变得更加困难。

参考链接：

https://spectrum.ieee.org/ibm-s-quantum-computing-compromise-the-road-to-scale

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