IBM 公布 Nighthawk r3 量子处理器与互连计划

IBM 公布下一代量子处理器 Nighthawk r3，设计目标是在 520 个可编程量子位上准确执行 10,000 次量子运算。芯片具有 2,034 个物理量子位和 10 个芯片间互连，IBM 计划于 2027 年将两颗芯片连接成一个 1,040 量子位系统。其可编程量子位数量为现有 Nighthawk r2 的 4.3 倍，每条电路可执行的运算次数增加三分之一。除 2027 年计划外，IBM 尚未公布 r3 的上市日期。

Nighthawk r3 架构和互连

Nighthawk r3 保留 r2 的方格连接结构和快速运算能力；r2 的 458 个物理量子位中有 120 个可编程。r3 新增 10 个 l-coupler，IBM 用这一名称指代将处理器连接成更大系统的芯片间链路。这种模块化扩展贯穿 IBM 的路线图；公司表示，计划于 2029 年推出的容错系统 Starling 将需要 100 多个 l-coupler 协同工作。

IBM 今年使用四个 l-coupler 连接了两颗 Nighthawk r1 处理器，测得量子态传输平均保真度为 99%，最佳结果为 99.3%，目标为 99.9%。公司还首次将两个低温模块接入同一系统，该系统在不到五天内达到工作温度，并冷却至 15 毫开尔文以下。计划于 2027 年推出的 1,040 量子位系统依赖这两项结果在 r3 规模下继续成立。

IBM 研究院负责人、IBM Fellow Jay Gambetta 表示：“实用量子计算取决于能否准确而快速地交付结果；两者都是基础。Nighthawk 已经向我们展示了如今的情况。随着我们将这一架构扩展到更大、更强大的量子计算机，并更紧密地结合经典计算资源、迈向容错，量子计算能力将达到新的水平。”

Nighthawk r2 工作负载结果

IBM 表示，Nighthawk r2 每秒最多可提供 100,000 个样本，吞吐量为 IBM Quantum Heron 的 25 倍；它支持在 120 个量子位上准确执行超过 7,500 次量子运算。速度之所以重要，是因为每次电路运行只返回一个样本，而 IBM 描述的应用需要数百万至数十亿个样本。IBM 称量子位可按 100 kHz 的速率快速重置，从而缩短两次运行之间的时间。

据 IBM 称，E.ON、Algorithmiq 和 Q-CTRL 等客户及合作伙伴已在 Nighthawk r2 上运行 340 亿条电路，并报告与早期 IBM 处理器相比最高 19 倍的加速。E.ON 报告称，用于电网优化的量子机器学习工作负载加速了 15 倍。IBM 与橡树岭国家实验室进行的一项磁性材料模拟实验测得 12 倍加速，结果与中子散射实验一致；这两个数字均相对于此前在 Heron 上的工作。

Algorithmiq 的一项异质量子材料模拟实验最初在 Heron 上运行，属于 IBM 与合作伙伴此前公布的量子优势结果的一部分；该实验现在在 Nighthawk r2 上运行的速度快 8 倍。IBM 表示，r2 版本也更难以用经典方法复现：为达到相近精度，领先的张量网络方法预计需要多 240 倍内存。以上为供应商及合作伙伴的结果，原文作者没有运行或审计这些结果。

经典计算集成

IBM Quantum Platform 现在通过统一托管环境提供量子硬件、HPC 和经典计算；用户可将量子工作流连接到从笔记本电脑到超级计算机的外部经典系统。IBM 通过原名 Qiskit Functions 的 IBM Quantum Functions 提供托管工作流，包含大内存和 GPU 加速计算、并行参数扫描、持久存储与按使用量计费。量子工作负载依赖经典系统进行误差缓解、噪声学习和后处理；IBM 预计随着电路规模扩大，这方面的需求也会增长。

在早期应用中，IBM 和理化学研究所（RIKEN）的科学家使原有的基于采样的量子对角化工作流比原研究快约 5 倍，同时执行了 100 倍的计算。克利夫兰诊所与 RIKEN 使用该平台处理约 6.08 亿个样本，以模拟与生物学相关的结构；IBM 称这比未使用工作流自动化时快 33 倍。

该平台还向量子纠错研究开放脉冲级控制，涵盖运算时序、更快的量子位重置和测量读出。这与 IBM、橡树岭国家实验室和 AMD 共建的协同设计平台相联系；该平台将Nighthawk 与 ORNL 的 Umbra HPC 系统及其 AMD Instinct MI355X GPU 和第五代 AMD EPYC CPU 放在一起，使研究人员能够跨量子与经典硬件共同开发纠错技术。

IBM 量子硬件

来源：StorageReview