终于来了！IBM公布127量子比特芯片技术细节

光子盒研究院出品

去年11月，IBM Quantum宣布推出Eagle，这是一款基于transmon超导量子比特架构的127量子比特(127-Q)量子处理器。然而，除了量子比特数量之外，IBM并未公布更多的细节。现在，关于Eagle的技术细节终于来了。

最近，IBM Quantum对他们的27量子比特Falcon处理器、65量子比特Hummingbird处理器和127量子比特Eagle处理器从以下3个方面进行了基准测试：

1.量子比特数量

2.量子体积

3.CLOPS(每秒电路层操作数)

自Eagle发布以来的五个月内，IBM Quantum团队有机会分析Eagle的性能，将其与之前的处理器(如IBM Quantum Falcon)的性能进行比较，并将学到的经验教训整合到进一步的修订中。在最近的APS三月会议上，IBM展示了对127量子比特技术、Eagle和Falcon之间的比较以及最新Eagle版本的基准进行了深入研究。

127量子比特Eagle处理器

与IBM所有的处理器一样，Eagle依赖于超导transmon量子比特的架构。这些量子比特是非谐振荡器，约瑟夫森结(一种由放置在超导导线之间的势垒组成的量子硬件元件，能够创建功能量子比特所需的量子效应)或超导电路中的间隙作为非线性电感引入了非谐性。

IBM使用特别调谐的微波脉冲实现了单量子比特门，它引入了叠加并改变了量子比特量子态的相位。使用称为交叉共振门(cross resonance gate)的可调谐微波脉冲实现了双量子比特纠缠门，它以目标量子比特的跃迁频率照射控制量子比特。执行这些微波激活操作需要我们能够以高保真、低串扰的方式传输微波信号。

Eagle的核心技术进步是使用了IBM的第三代信号传输方案。IBM的第一代处理器由量子比特晶圆上的一层金属和一块印刷电路板组成。虽然这种方案适用于环形拓扑结构，即量子比特排列成环形的拓扑结构，但如果环的中心有任何量子比特，它就会失效，因为没有办法向它们传送微波信号。

第二代封装方案采用了两个独立的芯片，每个芯片上都有一层图案化的金属，并通过超导凸点键合连接：一个量子比特晶圆位于中介层晶圆之上。这个方案能够将微波信号带到量子比特芯片的中心，这是Falcon和Hummingbird处理器的基石。然而，它要求所有的量子比特控制线和读出线都被布线到芯片的外围，并且金属层之间没有相互隔离。

三代芯片封装的比较

像以前一样，Eagle有一个量子比特晶圆凸点键合到一个中介层晶圆。不同的是，IBM现在已经在中介层中添加了多层布线(MLW)。他们在这个额外的层中路由他们的控制和读出信号，该层与量子设备本身隔离良好，可以将信号传送到大型芯片的深处。

MLW层由三层金属层、各层之间的图案化平面化电介质以及连接金属层的短连接(称为通孔)组成。这些能级允许制造出相互隔离、与量子设备完全隔离的传输线。他们还在量子比特和中介层芯片上增加了衬底通孔。

在量子比特芯片中，这使其可以抑制盒子模型(Box Model)，这有点像微波版的玻璃，当你在里面唱特定的音高时，它就会振动。同时还让他们在量子比特和其他敏感的微波结构之间建立孔栅——密集的通孔墙。如果它们之间的距离远小于一个波长，这些通孔就像法拉第笼一样，可以防止电路元件之间的容性串扰。在中介层芯片中，这些通孔扮演着相同的角色，同时也允许将微波信号从MLW上下传输到芯片内部的任何地方。

经典串扰是超导量子计算机的一个重要错误源。IBM的芯片有密集的微波线和电路元件阵列，可以传输和接收微波能量。如果这些线中的任何一条相互传输能量，他们应用并打算传输到一个量子比特的微波音调将会传输到另一个量子比特。

然而，对于由总线耦合以允许双量子比特门的量子比特而言，来自总线的所需量子耦合可能看起来类似于经典串扰的不良效应。IBM团队使用一种叫做哈密顿层析的方法来估计耦合总线的效应量，并从总效应中减去它们，只留下经典串扰的效应。

通过了解这种经典串扰的程度，对于耦合的量子比特，甚至可以在双量子比特门期间对目标量子比特使用第二个微波“抵消”音调来消除经典串扰的一些影响。在其他情况下，对这种情况进行补偿是不切实际的，经典串扰会增加处理器的错误率——通常需要新版本的处理器。

MLW和TSV(硅通孔)为Eagle提供了天然的串扰屏蔽。如下图所示，尽管拥有更多的量子比特和更复杂的信号传输方案，但Eagle中的高串扰量子比特比例比Falcon小得多，最坏情况下的串扰也要小得多。

这些改进是意料之中的。在Falcon中，没有TSV，线穿过芯片，可以轻松地将能量传输到量子比特。对于Eagle，每个信号都被量子比特芯片的接地面(ground plane)和MLW层顶部的接地面之间的金属包围。

Falcon和Eagle之间的经典串扰量。请注意，这是一个分位数图。中值为x=0。

与此同时，对于串扰最严重的量子比特，相同的量子比特在两个不同的Eagle芯片上串扰最严重。这是令人兴奋的，因为它表明最差的串扰对是由于他们尚未解决的设计问题造成的——因此可以在下一代中纠正这个问题。

虽然已在处理串扰方面取得进展，但IBM仍面临挑战。Eagle有16000对量子比特。找到那些串扰大于1%的量子比特需要很长时间，大约11天，而且串扰可能是非局部的，因此这些量子比特对之间可能会出现串扰。他们通过同时在多个量子比特上进行串扰测量来加速这个过程。但是，如果他们选择在两对串扰很差的线对上并行运行，这种测量可能会被破坏。

IBM团队仍在学习如何在合理的时间内获取这些数据集，并整理大量的测量结果，以便能够更好地了解Eagle，并为未来更大的设备做好准备。

虽然IBM使用量子体积来衡量综合“质量”，但现在有许多更精细的指标来表征设备性能的各个方面，并指导量子处理器的开发，他们也在Eagle中跟踪这些指标。

超导量子处理器面临各种错误，包括T1(测量从|1⟩到|0⟩状态的弛豫)、Tϕ(测量退相位——量子比特相位的随机化)和T2(T1和Tϕ的并行组合)。

这些错误是由不完美的控制脉冲、虚假的量子比特间耦合、不完美的量子比特状态测量等等造成的。它们是不可避免的，但阈值定理表明，只要我们能够将硬件错误率降低到某个恒定阈值以下，我们就可以构建一台纠错的量子计算机。因此，IBM硬件团队的核心任务是提高硬件的相干时间和保真度，同时扩展到足够大的处理器，以便能够执行有意义的纠错计算。

IBM对Eagle的T1的初始测量落后于Falcon r5处理器的T1。因此，他们在Eagle上的双量子比特门保真度也低于Falcon。

在设计和制造Eagle的同时，他们制造了更高相干性的Falcon处理器：Falcon r8。这是一个很好的例子，说明了规模和质量并行的优势。

IBM将这些变化应用到了Eagle r3中。现在，在Eagle中实现了与Falcon r8相同的相干时间，即400微秒。IBM预期双量子比特门保真度的改善会随之而来。他们对Eagle研究的一个持续焦点是读出性能指标。两个参数控制读出：量子比特与读出谐振器的耦合强度χ和光子离开谐振器的速度κ。选择这些参数时需要权衡利弊，因此设计的最重要目标是能够准确地选择这些参数，并确保它们在整个设备中的分布范围较小。

目前，如下图所示，Eagle在χ上持续且系统地落后Falcon设备(已经有了解决方案，计划在未来进行修订)。此外还发现Eagle的κ比Falcon的分布更广，Falcon的最高κ量子比特更高，最低κ量子比特更低。IBM发现，Purcell滤波器(一种带通或陷波滤波器，通过从其自身读出谐振器发射光子来防止量子比特衰减)的频率和读出谐振器频率之间的不匹配可能在起作用——IBM的硬件团队也在努力在这方面进行改进。

Falcon(Kolkata)和Eagle(Washington)芯片的χ和κ值的比较

IBM认为这款新处理器的第一轮测试取得了巨大成功。在几乎将处理器的规模扩大了一倍的同时减少了串扰，提高了相干时间，读出正常，以及其他改进。Eagle与最新的Falcon相比，测量保真度也有所提高，但需要注意的是，不同处理器的测量时间不同。

Eagle展示了将灵活开发原则应用于研究的力量——在IBM的第一次设备迭代中，几乎将处理器规模扩大了一倍，并且由于串扰的减少，在提高质量方面取得了长足的进步。

当然，IBM表示他们只是刚刚开始调整这款处理器的设计。希望在即将到来的修订版中看到针对读出和频率碰撞的质量进一步提高。

与此同时，IBM正在全面推进量子计算。他们已经开始在最高性能的处理器上测量超过400微秒的相干时间——并继续向错误最低的双量子比特门推进。

IBM Quantum仍将遵循路线图，在2023年之前将1121量子比特处理器上线，继续提供前沿量子研究，并在规模、质量和速度上向前推进，以提供最好的超导量子处理器。对Eagle的初步测试表明，IBM正走在正轨上。

参考链接：

https://research.ibm.com/blog/eagle-quantum-processor-performance

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