EETOP編譯自Allboutircuits

在2022 年 11 月的IBM 量子峰會(huì)上， IBM 發(fā)布了Osprey，一款400+ 量子比特的量子處理器。IBM 的目標(biāo)是到2025 年實(shí)現(xiàn)具有4,000+ 個(gè)量子比特的量子系統(tǒng)，釋放超級(jí)計(jì)算能力并解決日益復(fù)雜的計(jì)算問題。

近日，國外科技媒體Allboutircuits采訪了 IBM 的物理學(xué)家兼首席量子硬件架構(gòu)師 Oliver Dial，他參與了新的 400+ 量子位量子處理器的開發(fā)。 獲取了有關(guān) IBM 的 400+ 量子位量子處理器：Osprey 的獨(dú)家詳細(xì)信息。

433 量子比特的 IBM Osprey 芯片。圖片由 Ryan Lavine/IBM 提供

Dial 在開發(fā)高頻電子產(chǎn)品、低溫系統(tǒng)和半導(dǎo)體自旋量子比特方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。在 IBM，他專門研究超導(dǎo)量子位，研究其基礎(chǔ)物理并收集系統(tǒng)級(jí)指標(biāo)。

具有 400 多個(gè)量子比特的量子處理器

IBM 的新量子處理器包含 433 個(gè)稱為transmon的量子位，它們本質(zhì)上是超導(dǎo)諧振器，可以存儲(chǔ) 0 或 1 個(gè)微波光子?？梢酝ㄟ^從處理器外部向它們施加不同頻率的微波脈沖來操縱這些量子位。  

“我們的量子比特通過總線相互連接。由總線直接連接的不同量子比特具有不同的頻率，因此我們可以獨(dú)立控制它們，”Dial 解釋道?！半m然 transmons 是一種常見的量子比特類型，但我們使用固定頻率的 transmons——這意味著我們用來控制它們的微波頻率是在我們制造設(shè)備時(shí)確定的。我們不能在測試期間對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。這給我們的設(shè)備提供了很好的相干時(shí)間，但把重點(diǎn)放在準(zhǔn)確制造東西上，所以我們可以滿足這個(gè)頻率要求。"

研究人員的設(shè)備由無源微波電路支持，該電路不會(huì)有意吸收或發(fā)射微波信號(hào)，而是將它們重定向。片上無源電路的示例包括測量量子位狀態(tài)的微波諧振器、保護(hù)量子位免于從驅(qū)動(dòng)線路衰減的濾波器，以及向量子比特輸送微波信號(hào)和往返于讀出器的傳輸線（換句話說，就是導(dǎo)線）。

Dario Gil（IBM 高級(jí)副總裁兼研究總監(jiān)）、Jay Gambetta（IBM 院士兼量子計(jì)算副總裁）和 Jerry Chow（IBM 院士兼量子基礎(chǔ)設(shè)施總監(jiān)）展示了 433 量子比特的 IBM Osprey 芯片。圖片由 Ryan Lavine/IBM 提供

“我們用量子比特在芯片上構(gòu)建所有這些電路，使用與傳統(tǒng)CMOS工藝中所謂的后端布線相同的技術(shù)，”Dial說?！叭欢?，所有這些技術(shù)都必須修改為使用超導(dǎo)金屬。

這些多層設(shè)備將量子位放置在單個(gè)芯片上，該芯片通過超導(dǎo)鍵連接到稱為中介層的第二個(gè)芯片。內(nèi)插器的表面有讀出諧振器，內(nèi)部埋有多層布線，可將信號(hào)傳入和傳出設(shè)備。

IBM 交付其 433 量子位 Osprey 量子處理器。它擁有所有 IBM 量子處理器中最大的量子比特?cái)?shù)，是 2021 年推出的 IBM Eagle 處理器的 127 個(gè)量子比特的三倍多。圖片由 Connie Zhou/IBM 提供

這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)在量子比特、讀出諧振器和其他電路之間形成了明顯的隔離，減少了微波損耗，而量子比特對(duì)這種損耗非常敏感。最終，這也是研究人員能夠?qū)⑷绱硕嗟牧孔颖忍胤庋b在一個(gè)芯片上以保持良好的一致性的原因。

“我們?cè)?Eagle 中開發(fā)了這種通用結(jié)構(gòu)，這是我們最后構(gòu)建的 127 量子位處理器，”Dial 說?！癊agle 是所有這些技術(shù)的第一個(gè)集成，而 Osprey 證明我們可以使用它們來制造比我們以前制造的任何產(chǎn)品都更大的處理器。Osprey 上的很多新功能并不是芯片本身——它是 對(duì)Eagle 的改進(jìn)——而是它周邊的東西?！?/p>

更復(fù)雜的設(shè)計(jì)

IBM的新量子處理器在大約0.02開氏度的極低溫度下運(yùn)行。因此，考慮到其處理器的冰箱的冷卻功率很小（大約100微瓦的功率），該團(tuán)隊(duì)不得不確定一種策略，將數(shù)百個(gè)微波信號(hào)傳送到這種低溫環(huán)境中。

"向我們的處理器輸送微波信號(hào)的電纜是一個(gè)特別的問題，因?yàn)榇蠖鄶?shù)導(dǎo)電良好的東西也會(huì)導(dǎo)熱，從而損害我們冰箱的絕緣性能，"Dial解釋說。"為了解決這個(gè)問題，我們的Eagle處理器使用了600多條電纜，每條電纜都是手工組裝、布線和測試。在Osprey中，我們用使用標(biāo)準(zhǔn)印刷電路板技術(shù)制作的柔性帶狀電纜取代了大部分這些電纜。這些電纜中的每一條都取代了許多單獨(dú)的電纜、連接器和組件--簡化了我們的設(shè)計(jì)，從而提高了處理器的可靠性"。

Osprey處理器由新一代控制電子設(shè)備支持，冰箱外的儀器可在經(jīng)典和量子計(jì)算工具之間創(chuàng)建接口。這些工具建立在IBM之前的工作基礎(chǔ)上，為新芯片生成微波控制信號(hào)，并解釋返回的信號(hào)。

IBM 的新處理器有可能運(yùn)行復(fù)雜的量子電路，這超出了任何經(jīng)典計(jì)算機(jī)的能力。作為參考，在 IBM Osprey 處理器上表示狀態(tài)所需的經(jīng)典位數(shù)超過了已知宇宙中的原子總數(shù)。圖片由 Connie Zhou/IBM 提供

Dial說:“我們實(shí)現(xiàn)了一種新的、更簡單的設(shè)計(jì)，用于生成基于直接數(shù)字合成和水冷卻的模擬信號(hào)，以增加電子設(shè)備的密度——讓我們達(dá)到每個(gè)機(jī)架400個(gè)量子比特的控制?！?/p>

Osprey 處理器基于經(jīng)過數(shù)年改進(jìn)的平臺(tái)，采用 IBM 已經(jīng)在其 Falcon、Hummingbird 和 Eagle 處理器上測試和實(shí)施的技術(shù)。這些先前處理器的主要進(jìn)步是芯片外部的布線和控制系統(tǒng)，以及擴(kuò)展的軟件堆棧。

“我們還將一些學(xué)習(xí)融入到如何調(diào)整設(shè)備（即它的門禁時(shí)間，功率等）中，我們認(rèn)為這將使設(shè)備的大部分具有比我們過去通常管理的平均保真度更好的，”Dial說?！拔覀冋J(rèn)為這將使它成為研究錯(cuò)誤緩解的理想平臺(tái)——運(yùn)行多個(gè)略有變化的電路副本以生成更準(zhǔn)確的期望值?！?nbsp;

邁向以量子為中心的超級(jí)計(jì)算時(shí)代

戴爾和他的同事創(chuàng)造的新處理器是邁向以量子為中心的超級(jí)計(jì)算時(shí)代（即量子計(jì)算機(jī)可以解決任意規(guī)模的問題）的又一步。

Dial解釋說:“當(dāng)我們構(gòu)建經(jīng)典的超級(jí)計(jì)算機(jī)時(shí)，我們并不是構(gòu)建一個(gè)單一的快速處理器，而是利用多個(gè)處理器并行工作，從而創(chuàng)造了解決一個(gè)大問題或同時(shí)解決許多小問題的靈活性。同樣，我們希望致力于一種可以伸縮的量子架構(gòu)，用量子計(jì)算機(jī)解決用戶問題中最適合在量子計(jì)算機(jī)上解決的部分，而用經(jīng)典計(jì)算機(jī)解決他們問題中最好在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上解決的部分?！?/p>

為了讓用戶能夠利用量子計(jì)算和經(jīng)典計(jì)算技術(shù)的優(yōu)勢，IBM 正在開發(fā)一系列中間件和軟件工具，以實(shí)現(xiàn)這些不同類型的計(jì)算系統(tǒng)之間更好的通信。  

“在解釋這個(gè)想法時(shí)，我們經(jīng)常使用電路編織(circuit knitting)的例子，”Dial說?！拔覀兊哪繕?biāo)是將一個(gè)太大而無法在單個(gè)量子處理器上運(yùn)行的單個(gè)量子電路分解成可以在多個(gè)處理器上運(yùn)行的較小部分。如果我們所擁有的只是處理器之間的經(jīng)典通信，我們可以做到這一點(diǎn)，但開銷（我們需要運(yùn)行電路的額外次數(shù)）很大。如果我們擴(kuò)展經(jīng)典通信以包括實(shí)時(shí)經(jīng)典通信（能夠在一個(gè)處理器上測量量子比特，將其轉(zhuǎn)換為經(jīng)典數(shù)據(jù)，將其移動(dòng)到另一個(gè)處理器，并在幾微秒內(nèi)更改我們?cè)诘诙€(gè)量子處理器上所做的操作），新的高級(jí)編織選項(xiàng)成為可能。這種更豐富的通信可以更好地?cái)U(kuò)展，但現(xiàn)在計(jì)算機(jī)需要足夠近才能實(shí)現(xiàn)這種高速通信——距離是米，而不是英里。”

Dial 和他的同事們現(xiàn)在正在研究一種稱為 I-couplers 的新技術(shù)，該技術(shù)將于 2024 年推出，這可能會(huì)使開銷完全消失。I-耦合器是量子處理器之間的微波鏈路，可以冷卻到設(shè)備的毫開爾文溫度，這樣當(dāng)處理器冷卻下來時(shí)，它們就可以真正地凍結(jié)在系統(tǒng)中。

“我們?cè)谠擃I(lǐng)域開展的最后一個(gè)非常長期的項(xiàng)目稱為轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction）：使用光學(xué)光子而不是微波移動(dòng)量子信息，”Dial 補(bǔ)充道?！斑@將使我們能夠制造可重構(gòu)的量子網(wǎng)絡(luò)，但這是一項(xiàng)更難掌握的技術(shù)。沒有人在我們的系統(tǒng)中充分證明這一點(diǎn)?！?/p>

其他進(jìn)展和未來展望

在 2022 年 IBM 量子峰會(huì)上，IBM 還發(fā)布了量子系統(tǒng)2的更新，該平臺(tái)支持更大處理器的運(yùn)行以及以量子為中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)所特有的多種通信類型。結(jié)合其新的處理器和其他工具，該平臺(tái)為又一年激動(dòng)人心的量子技術(shù)進(jìn)步鋪平了道路。

“有些事情我們正在不斷努力改進(jìn)：我們的量子比特相干時(shí)間、我們的門保真度、我們?cè)O(shè)備的密度和串?dāng)_，”Dial 說?！霸诮酉聛淼囊粌赡昀铮覀冞€將專注于兩個(gè)以硬件為中心的大型項(xiàng)目。一種涉及量子處理器之間的各種類型的通信：實(shí)時(shí)經(jīng)典、芯片到芯片量子門（量子多芯片模塊）和遠(yuǎn)程量子通信——以量子為中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)的基本組成部分。另一個(gè)是在我們的生產(chǎn)系統(tǒng)中引入低溫 CMOS 控制?！?/p>

目前，IBM 的控制硬件基于現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA)，這增加了成本并限制了可達(dá)到的量子位密度。該團(tuán)隊(duì)希望轉(zhuǎn)向集成到冰箱中的基于 CMOS 的控制組件將簡化量子計(jì)算機(jī)中的布線和信號(hào)傳輸問題，使他們更接近開發(fā)具有數(shù)千個(gè)量子比特的系統(tǒng)的目標(biāo)。

“當(dāng)我們談?wù)摂?shù)萬個(gè)量子比特時(shí)，糾錯(cuò)變得更加重要，”Dial 指出。“我們相信我們可以獲得更有效的糾錯(cuò)碼，但這將需要我們的量子比特之間的連接比我們現(xiàn)在擁有的連接更復(fù)雜?，F(xiàn)在，我們的heavy-hex設(shè)備（以及人們制造的大多數(shù)設(shè)備）都有二維量子位陣列。每個(gè)量子位都以某種重復(fù)模式連接到芯片表面上的其他附近的量子位。我們正在開始研究在芯片上的遠(yuǎn)距離量子比特之間建立連接，以及在這些連接之間進(jìn)行交叉，這可能為能夠?qū)崿F(xiàn)高效容錯(cuò)代碼的機(jī)器鋪平道路?！?/p>

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