433量子比特！IBM再次引领世界

光子盒研究院出品

2022年11月9日的IBM年度量子峰会上，IBM公司推出了Osprey芯片，它拥有超过Eagle（127量子比特）约三倍的433个量子比特[1]。IBM表示，在短短一年内将芯片上的量子比特数量增加三倍的进展表明，公司有望在2023年交付世界上第一台拥有超过1000个量子比特的通用量子计算机Condor。

历代IBM量子处理器的相对尺寸。2016年，该公司将第一台量子计算机放在云上供所有人进行实验——这是一个具有5个量子比特的设备，每个超导电路冷却到大约20毫开尔文（-273摄氏度）的温度。2019年，IBM推出了27量子比特的Falcon；2020年，65量子比特的Hummingbird；2021年，127量子比特的Eagle。

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告别“吊灯”，Osprey全方位升级

Osprey处理器的分解图，显示了3D封装。

在2022年的IBM量子峰会上，IBM分享了10多个公告，并展示了新的量子计算硬件、从这些处理器中提取价值的软件能力，以及产品和服务如何帮助创建一个全球量子计算生态系统。

峰会上，IBM的首个公告宣布推出433量子比特的IBM Quantum Osprey——这是迄今为止最大的通用量子处理器。它比IBM Quantum突破100量子比特的处理器Eagle大三倍。与Eagle一样，Osprey包括多级布线，为信号路由和设备布局提供了灵活性，同时还加入了集成滤波功能，以减少噪声和提高稳定性。

从Eagle开始并延续到Osprey的一种策略是将读出和控制所需的电线和其他组件分离到它们自己的层上。这种多级布线有助于保护脆弱量子比特免受破坏，帮助处理器整合更多数量的量子比特。

IBM Quantum的首席硬件架构师Oliver Dial说[2]：“我们可能不需要所有这些技术来部署100量子比特的设备，但所做的一切有助于建立Osprey和Condor（2023年预计推出的1121量子比特的Condor通用量子处理器），我们现在拥有超越100个量子比特的技术。”

Dial指出，在芯片之外，Osprey与Eagle相比具有两大优势。

上一代同轴电缆布线（左）和新型Cryoflex布线（右）。不再是“量子吊灯”：IBM表示其Osprey处理器引入了采用柔性布线的高密度控制信号传输。

一个是用柔性带状电缆取代IBM与之前的量子处理器一起使用的微波电缆的“量子吊灯”，“如果你打开手机或笔记本电脑，你可能会发现这种电缆在主板和屏幕之间传输信号。所有这些将微波信号传入和传出存储量子比特的制冷机的微波电缆都不是非常可扩展的，”Dial说。

Osprey的柔性带状电缆适用于低温环境。电缆的电阻和热阻经过专门设计，可帮助微波信号流动，同时不会传导过多可能干扰量子比特的热量。Dial解释道，这导致通往芯片的连接数量增加了77%。“基本上，电线数量几乎是原来的两倍”——这将有助于IBM扩大其量子计算机的规模。

Osprey的另一个主要优势是新一代的控制电子设备，可以向量子处理器发送和接收微波信号。尽管Dial表示IBM的第一阶段控制电子设备（2019-2021）享有更大的灵活性，但Osprey的控制电子设备“更专业，更适合量子设备，以产生我们需要的精确信号、频率、功率需要”。

这些改进“降低了成本，这是我们扩大规模时的一个重要考虑因素，”Dial说。“对于我们的第一代5和20量子比特设备，我们需要一个完整的控制电子设备机架，而使用Eagle，我们看到每个机架有40个量子比特。现在我们可以用一个设备机架控制400多个量子比特。”他补充说，Osprey也增加了量子比特密度。

Osprey的新控制电子设备包括一个低温CMOS控制器芯片，该芯片使用14纳米FinFET技术实现，运行温度约为4开尔文（-269.15摄氏度）。它采用了专用集成电路(ASIC)设计，与以前的现场可编程门阵列(FPGA)方法相比，体积和功耗更小。“不像我们以前需要的每量子比特大约100瓦，我们只需要大约10毫瓦，因此我们可以在芯片上安装更多的量子比特，”Dial说。

IBM在这一进展中的重点是引入扩大量子比特数量所需的关键技术。然而，量子比特架构的许多元素与Eagle (ibm_washington) 设备中使用的元素相似，它将继续使用IBM于2019年推出的Quantum System One封装。

Osprey将于2023年第一季度提供给IBM Quantum Network的成员。该设备的当前版本R1具有许多与前几代相似的量子比特质量指标，T1相干时间在70-100微秒范围内。

Osprey的下一个版本，称为R2，将在相干时间方面进行几项改进，这些改进首先在27个量子比特Falcon设备之一上进行了测试，并将这种相干性提高2-3倍。改进这些将是IBM计划于2023年推出的下一代Heron处理器的重点。

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2023，量子计算的下一个浪潮

IBM一直在为用户开发业界领先的硬件、软件和服务，以便为计算的下一个浪潮做好准备。IBM表示：“随着不断兑现我们的发展路线图，2022年，将不再只是准备。我们已经准备好开始实现计算的下一个浪潮，并随之实现有用的量子计算。”

“2023年将是一个重要的拐点：我们已经准备好开始实现以量子为中心的超级计算机。这是一个模块化的计算架构，可以实现扩展，并结合量子通信和计算来增加计算能力，同时，采用混合云中间件来无缝整合量子和经典的工作流程。”

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更多突破：新的量子体积、CLOPS措施、错误缓解……

另外，IBM在年度两字峰会上还发布了更多其他突破。

1）实现了新的量子体积和CLOPS指标

IBM使用他们的27量子比特Falcon设备来测试、改进，现在已经达到了512的量子体积指标和15.7K的CLOPS测量值。CLOPS的改进非常显著，因为它们在今年开始时为1.4K，今年显示了10倍的改进。

Dial表示，基于被称为每秒电路层操作(CLOPS)的IBM量子计算速度指标，IBM公司的最佳系统已从1,400 CLOPS增加到15,000 CLOPS。（量子程序员在由量子电路组成的量子计算机上运行量子算法，量子电路描述了应用于一组量子比特的基本操作序列——量子门；CLOPS是衡量量子计算机运行速度的指标量子电路。）

2）错误抑制和缓解技术

IBM还准备在其量子计算机的云软件中包含可选的错误缓解技术，这些技术基本上可以用速度换取更准确的结果。误差抑制使用一种称为动态去耦的技术，该技术以减少退相干和串扰的方式调制控制脉冲。错误缓解使用各种不同的算法来使用不同的技术提供更准确的答案。IBM使用的两种算法称为零噪声外推法和概率错误消除法。

使用这些算法的权衡是它们可以大大增加作业的整体运行时间，因为它们可能需要多次迭代才能提供答案。因此，用户被迫在准确性与运行时间之间进行权衡。为了使最终用户更简单，IBM 正在实施一个简单的控制，允许最终用户指定他们想要多少缓解，然后让软件自动实施。该控件称为弹性级别，可以设置为从level0（无缓解算法）到level3（最大缓解算法）之间的任意位置，level1和2介于两者之间。

“我们没有将复杂性推给用户，而是在后端构建这些功能来处理这些细节，”Dial说：“到2024年底，我们预计通过在我们的‘100 x 100 计划’中并行运行多个Heron芯片来缓解错误，可以实现100量子比特宽、100门深的系统，从而实现超越经典计算机的能力。”

3）动态电路

IBM还披露了他们提供的动态电路（有时称为中间电路测量）：它现在可在18个系统上使用。此功能允许最终用户测量量子比特并根据测量结果在其代码中进行分支。然后可以重置测量的量子比特并稍后在程序中重复使用。这种能力可以减少电路深度和/或减少实现算法所需的量子比特数。

尽管我们还没有太多的用户程序利用了这种能力，但它仍然是相当新的。预计随着纠错技术的实施以检测并随后纠正量子比特错误，这种能力将变得更加重要。

4）电路编织和量子无服务器

IBM还宣布，它已经发布了两项功能的alpha版本。电路编织需要将大型量子程序拆分为可以独立运行的独立部分。然后可以将运行的输出输入经典计算机，然后组合以提供答案。这种方法可能允许用户运行比一台机器更大的程序，或者如果单独的部分可以在多个量子处理器上并行运行，则允许程序运行得更快。

5）IBM Quantum System 2的新封装

IBM Quantum System 2的新封装在设计时考虑了模块化，以实现更好的可扩展性，并以进入量子优势时代为愿景。该设计将适应各种不同的配置，以及通过使多个系统物理上靠近放置在一起来促进联网的方法[3]。

具有1个（左）、2个（中）和3个（右）低温恒温器的可能的IBM Quantum System 2配置

在上图中，低温恒温器（C1、C2和C3）是六边形，控制电子设备放置在与低温恒温器相连的机翼中。机翼灵活且可扩展，以适应不同数量的量子比特所需的电子设备。并且如中图和右图所示，可以将低温恒温器放在一起，以最大限度地减少不同低温恒温器中量子比特之间的通信距离。使用Kookaburra芯片，每个低温恒温器可以容纳4,158个量子比特，因此其中三个的装置可以容纳12,474个或更多量子比特。

IBM Quantum System 2封装计划于2023年底推出：这是IBM向量子计算机构建迈进的高潮，代表了迈向量子时代的方向。

不仅上述技术突破，IBM还宣布，它正在与通信技术公司沃达丰合作开发后量子密码技术，该技术可以抵御未来可能迅速破坏现代密码学的量子计算机。“我们正在研究加密灵活性，即在加密方案之间移动以确认加密如何不断变化和进步的能力。”

04

一些思考和建议

可以预见，IBM推出433量子比特芯片后，国内无非有三种声音。

一种是IBM太厉害了，中国连100个比特都没有，真是垃圾；另一种是IBM太厉害了，中国一定要加油了；最后一种是，看到没，量子计算太牛了，快来投我们公司啊！

光子盒的观点则是，当然要正视我们在超导量子计算机上与IBM的差距，但也无需有负面情绪，要相信国家的布局和科学家的努力。另一方面，借IBM这件事炒作的其他量子计算公司，也大可不必，IBM牛不代表你也牛，首先你得出成果。

可以看出，与IBM的差距，不只是量子比特的差距，而是从制冷、电子控制设备到布线的全方位差距。最后，我们呼吁，量子计算机不只是科研人员的事，还需要其他环节的全方位支持，从稀释制冷机、量子测控系统到同轴电缆都亟待突破，希望各行各业联合起来，共同推动中国量子计算机的进步。

参考链接：

[1]https://research.ibm.com/blog/next-wave-quantum-centric-supercomputing

[2]https://spectrum.ieee.org/ibm-quantum-computer-osprey

[3]https://quantumcomputingreport.com/ibm-announces-433-qubit-osprey-processor-several-additional-advancements-and-a-100x100-challenge/

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