IBM在2021年11月下旬举行的年度量子高峰会(Quantum Summit)上发表了127量子位(qubit)的Eagle处理器，可望为量子运算的实际应用奠定基础。IBM的技术蓝图目标是实现“量子优势”(quantum advantage)，让量子计算机在2023年执行与传统计算机相同的任务时，能更便宜、更快或更精确。

量子计算机是利用量子位以量子格式来呈现信息，不同于一个以位运作的传统计算机呈现数据的方式，量子数据可能同时代表“1”或“0”的。在理论上，量子计算机执行特定运算任务时，会比数字化计算机更快且更有效率。包括IBM和Google和Microsoft等其他公司，正致力于朝量子临界点拓展。

IBM首席量子专家Bob Sutor在接受访问时表示，突破100量子位的障碍强调了扩充量子架构的必要性；“借助传统CMOS半导体制造技术，我们可以在外部边缘装置存取像是芯片内那么多的量子位。”他指出，该127量子位处理器是利用多个六角形架构来实现外部额外的量子位，该设计也将为未来的容错系统铺路。

而IBM预期在2022年发表433量子位处理器Osprey；1,121量子位处理器Condor则预计在2023年上市，能够执行错误校正等任务。“大家都在谈论量子位的数目，这对于执行更复杂的运算确实是很重要；”IBM Research研究总监Darío Gil表示：“但是量子位计数的规模，只是我们衡量量子处理器性能的其中一个面向。”

Gil指出，Eagle处理器能让IBM的研究人员聚焦于三个量子性能指针：规模、质量和速度；“为了提升质量，Eagle利用控制电子和软件的量子位制造最新进展，这将有助于我们把它的量子数目最大化。”

“为提高速度，Eagle将整合经典的运算工作流程；”Gil补充：“利用Qiskit Runtime和其他的改善方法，来最大化每秒可执行的量子电路数目，持续发展软件系统以跟上硬件的进步很重要。”IBM计划为金融、机械学习和化学等应用，开发新的电路数据库。

量子的未来

Eagle处理器也被推广成未来量子运算演进的基础。举例来说，每个额外的量子位会使空间复杂度(space complexity)加倍，也就是可供执行量子算法所需的内存空间量。“量子力学的数学明显是多维度的；”Gil表示：“数学里的这种抽象就是大自然运作的方式。这听起来很像是科幻小说，但是并非如此，它只是科学。”

过去几十年来，科学家对计算机的假设，是利用与建立次原子粒子(subatomic particles)行为模型相同的一样的物理学和数学。量子力学描述我们周遭的一切，超越传统的计算机，在许多领域提供了更好的模拟。建立量子计算机的主要挑战是噪声──即使最小的外部噪声都会导致量子位退相干(decohere)的发生。

“为了获得良好的性能，我们需要在拥有许多量子位，提升相干时间与量子闸保真(gate fidelity)质量，以及有够快的执行速度让量子运算得以实现三者间取得平衡；”Sutor表示：“如果这三个元素有任何一个太差或太小，以该系统完成的量子运算就没有用。”

IBM的433量子位处理器Osprey，“将会持续和社群一同发展Qiskit开源软件开发平台，我们将会与客户与伙伴一起合作，让我们更接近有用且具突破性的量子运算的产业应用。”

量子处理器的演进

随着量子运算规模的扩展，人们的关注焦点也转向真实世界的应用。而如果量子运算的扩展可以藉由量子位计数和量子体积的质量来衡量，那么量子处理速度则是透过在一个合理的时间内，这些量子位所能执行的有效工作来衡量。

IBM以每秒可处理的“量子电路层”(quantum circuit layers)数目来定义量子处理速度。相似于传统运算中的每秒浮点运算，改善QPU速度对实际的量子运算来说相当重要。

有用的量子运算需要尽可能在更多的电路上执行，有些应用需要超过十亿个以上的电路层。在最低层级，QPU的速度是受到底层架构所驱动，因此IBM 选择超导量子位，让量子位能够更容易与谐振器与处理器耦合，实现更快速的量子闸、重设和读出等基础。

“虽然我们称之为量子运算，”Sutor指出：“它实际上是一个新量子处理器和控制单元，与经典运算的整合。而因为我们已经了解经典运算部分，这让我们拥有庞大的优势。”

相较于65量子位处理器Hummingbird， Eagle多了将近两倍的量子位。根据IBM说法，用以开发先前几代量子处理器的技术必须加以结合和改进，以开发出一个能够利用先进3D封装技术的处理器。这个方法能作为1,000+量子位Condor处理器的基础。

Egale是以较早期的Falcon处理器“重六角形”(heavy hexagon)量子位架构为基础，其中量子位是链接到两个或三个邻近的位，就好像位于镶嵌六角形的角落与边缘。这些链接会降低由相邻量子位间的互动所导致的潜在错误。Egale也能够结合读出作业多任务，减少在稀释冷却步骤所需的电子组件和线路数量要求。

IBM指出，3D整合允许特定的微波电路组件和绕线发生在不同的物理层，虽然量子位封装仍是设计未来量子计算机最大的挑战，多层绕线和其他组件能够协助提高未来量子处理器(QPU)的量子位计数。

事实上，IBM最新的QPU类似一组多层芯片；将Josephson结为基础的超导链接放在一个芯片上，然后透过凸块键合(bumper bonds)连结一个单独的中介层芯片。这个中介层芯片提供经由标准CMOS封装技术到量子位的关键链接，包含了基板通孔和埋线层──这是该技术的一种独特用途。

IBM还介绍了锁定数据中心应用的量子运算系统原型Quantum System Two；该公司特别强调该平台的模块化设计，能让硬件进行必要的扩充。System Two包含了低温的组件和高密度的线路，以及一个新的具可扩充性的量子位控制电路。IBM正与Bluefors合作重新设计低温组件，可望提供更大的低温面积，透过新互连或分散的专属冷却区域，来链接量子处理器。

Gil指出，做为数据中心工作负载传统处理程序的补充，System Two代表着人们朝向量子硬件的使用又迈进一步，为让量子运算更进一步被扩大采用的产业生态系奠定基础。

来源：电子工程专辑

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