独家IBM分享其400+Qubit量子处理器的详细信息

在2022年11月的IBM量子峰会上，IBM宣布了一款400多量子比特的量子处理器Osprey。IBM的目标是到2025年实现4000多个量子位的量子系统，释放超级计算能力，解决日益复杂的计算问题。

我们采访了物理学家、IBM首席量子硬件架构师Oliver Dial，他参与了新型400+量子位量子处理器的开发。

 

433量子位的IBM鱼鹰芯片。图片由Ryan Lavine/IBM提供

 

戴尔在开发高频电子、低温系统和半导体自旋量子位方面有着丰富的经验。在IBM，他专门研究超导量子位，研究其基本物理，并收集系统级指标。

 

具有400+量子比特的量子处理器

IBM的新量子处理器包含433个被称为transmons的量子位，这些量子位本质上是超导谐振器，可以存储0或1个微波光子。这些量子位可以通过从处理器外部施加不同频率的微波脉冲来操纵。

Dial解释道：“我们的量子位通过总线相互连接。通过总线直接连接的不同量子位具有不同的频率，因此我们可以独立控制它们。”。“虽然传输是一种常见的量子位类型，但我们使用固定频率的传输，这意味着我们用来控制它们的微波频率是在制造设备时决定的。我们不能在测试过程中调整它。这给我们的设备带来了很好的相干时间，但非常强调精确制造，因此我们可以满足频率要求。”

研究人员的设备由无源微波电路支持，该电路不会故意吸收或发射微波信号，而是重定向微波信号。片上无源电路的例子包括测量量子位状态的微波谐振器、保护量子位不从驱动线衰减的滤波器，以及将微波信号传送到量子位以及传送到读出装置和从读出装置传送微波信号的传输线（换言之，导线）。
 

Dario Gil（IBM高级副总裁兼研究总监）、Jay Gambetta（IBM研究员兼量子计算副总裁）和Jerry Chow（IBM研究员和量子基础设施总监）展示了433量子位IBM鱼鹰芯片。图片由Ryan Lavine/IBM提供

 

Dial说：“我们用量子位在芯片上构建所有这些电路，使用的技术与传统CMOS工艺中所谓的后端布线技术大致相同。”。“然而，所有这些技术都必须进行修改，才能使用超导金属。”

这些多层器件将量子位放置在一个芯片上，该芯片通过超导键连接到第二个被称为中介层的芯片上。插入器的表面有读出谐振器，内部埋有多层布线，可以将信号传输到设备中或从设备中传输出来。

 

IBM推出其433量子位“鱼鹰”量子处理器。它是IBM量子处理器中量子位数量最多的，是2021年推出的IBM Eagle处理器上127个量子位的三倍多。图片由Connie Zhou/IBM提供

 

这种独特的设计在量子位、读出谐振器和其他电路之间建立了清晰的分离，减少了量子位非常敏感的微波损耗。最终，这使得研究人员能够在一个芯片上封装这么多量子位，以保持良好的一致性。

Dial说：“我们在Eagle中开发了这种通用结构，这是我们上一次制造的127量子位处理器。”。“Eagle是所有这些技术的第一次集成，而Osprey证明了我们可以使用它们来制造比我们以前制造的任何处理器都大的处理器。Osprey的很多新功能并不是芯片本身的功能，这是Eagle的改进，而是它的周围功能。”

 

更精致的设计

IBM的新量子处理器在大约0.02开尔文的非常低的温度下工作。因此，考虑到处理器冰箱的冷却功率很小（约100µW的功率），该团队不得不确定一种策略，将数百个微波信号传输到这种低温环境中。

Dial解释道：“向我们的处理器传输微波信号的电缆是一个特殊的问题，因为大多数导电良好的东西也会导热，从而影响冰箱的绝缘。”。“为了解决这个问题，我们的Eagle处理器在冰箱的不同阶段之间使用了600多条电缆，每条电缆都是手工组装、布线和测试的。在Osprey中，我们用使用标准印刷电路板技术制造的柔性带状电缆取代了大多数电缆。每条电缆都取代了许多单独的电缆、连接器和组件，简化了我们的设计从而提高了处理器的可靠性。”

鱼鹰处理器得到了新一代控制电子设备的支持，这些电子设备是冰箱外的仪器，可以在经典计算工具和量子计算工具之间创建接口。这些工具建立在IBM之前的工作基础上，为新芯片生成微波控制信号，并解释返回的信号。

 

IBM的新处理器有可能运行复杂的量子电路，这超出了任何经典计算机的能力。作为参考，在IBM鱼鹰处理器上表示一个状态所需的经典比特数超过了已知宇宙中的原子总数。图片由Connie Zhou/IBM提供

 

Dial说：“我们实现了一种新的、更简单的设计，用于生成基于直接数字合成和水冷的模拟信号，以增加电子器件的密度，使我们每个机架的控制能力达到惊人的400量子位。”。

鱼鹰处理器基于经过几年改进的平台，IBM已经在其Falcon、Hummingbird和Eagle处理器上测试并实现了这些技术。这些以前的处理器的主要进步是芯片外的布线和控制系统，以及放大的软件堆栈。

Dial说：“我们还将一些学习融入到如何调整设备中（即，它的门控时间、功率等），我们认为这将使设备的大部分具有比我们过去通常管理的更好的平均保真度。”。“我们认为这将使其成为一个理想的平台，用于研究在电路的多个副本上运行微小变化以产生更准确的期望值的错误缓解。”

 

迈向以量子为中心的超级计算时代

Dial和他的同事创造的新处理器是迈向以量子为中心的超级计算时代的又一步（即量子计算机可以解决任意规模的问题）。

Dial解释道：“当我们建造一台经典的超级计算机时，我们不会建造一个快速处理器，而是利用许多并行工作的处理器，这创造了同时解决一个大问题或许多小问题的灵活性。”。“同样，我们希望建立一种可以上下扩展的量子体系结构，用量子计算机解决用户问题中在量子计算机上最好解决的部分，用经典计算机解决他们问题中在经典计算机上最好的部分。”

为了让用户能够利用量子和经典计算技术的优势，IBM正在开发一系列中间件和软件工具，以实现这些不同类型的计算系统之间更好的通信。

“我们在解释这个想法时经常使用电路编织的例子，”Dial说。“我们的目标是将一个太大而无法在单个量子处理器上运行的量子电路分解成更小的部分，可以在多个处理器上运行。如果我们只有处理器之间的经典通信，我们可以做到这一点，但开销（我们需要额外运行电路的次数）很大。如果我们将经典通信扩展到包括实时经典通信（在一个处理器上测量量子位，将其转换为经典数据，将其移动到另一个处理器，并在几微秒内改变我们在第二个量子处理器上的操作），新的高级编织选项就成为可能。这种更丰富的通信可以更好地扩展，但现在计算机需要足够近，才能实现这种高速通信，距离为米，而不是英里。”

戴尔和他的同事们现在正在研究一种名为I-couplers的新技术，该技术将于2024年推出，这可能会使开销完全消失。I耦合器是量子处理器之间的微波链路，可以冷却到设备的毫开尔文温度，这样当处理器冷却时，它们就可以真正冻结到系统中。

Dial补充道：“我们在这一领域正在进行的最后一个非常长期的项目被称为转导：用光子而不是微波移动量子信息。”。“这将使我们能够制造可重新配置的量子网络，但这是一项更难掌握的技术。没有人在我们的系统中充分证明这一点。”

 

其他进展和未来展望

在2022年IBM量子峰会上，IBM还推出了量子系统二号更新，这是一个支持更大处理器操作和以量子为中心的超级计算机所特有的各种通信类型的平台。结合其新的处理器和其他工具，该平台为又一年令人兴奋的量子技术进步铺平了道路。

Dial说：“我们正在不断努力改进：我们的量子位相干时间、门保真度、设备的密度和串扰。”。“在接下来的一两年里，我们还将重点关注两个以硬件为中心的大型项目。一个涉及量子处理器之间的各种通信：实时经典、芯片对芯片量子门（量子多芯片模块）和远程量子通信——以量子为中心的超级计算机的基本组成部分。另一个是将低温CMOS控制引入我们的生产系统。”

目前，IBM的控制硬件基于现场可编程门阵列（FPGA），这增加了其成本并限制了可达到的量子位密度。该团队希望，将基于CMOS的控制组件集成到冰箱中，将简化量子计算机的布线和信号传输问题，使他们更接近开发一个具有几千个量子位的系统的目标。

“当我们谈论数以万计的量子位时，纠错变得更加重要，”Dial指出。“我们相信我们可以获得更高效的纠错码，但这将需要我们的量子位之间比现在更复杂的连接。现在，我们的重型十六进制设备（以及人们制造的大多数设备）具有量子位的2D阵列。每个量子位以某种重复模式连接到芯片表面上其他附近的量子位。我们正在开始研究在芯片上的远程量子位之间建立连接以及这些连接之间的交叉，这可能为实现高效容错代码的机器铺平道路。”