EETOP編譯自Allboutircuits
在2022 年 11 月的IBM 量子峰會上， IBM 發(fā)布了Osprey，一款400+ 量子比特的量子處理器。IBM 的目標是到2025 年實現(xiàn)具有4,000+ 個量子比特的量子系統(tǒng)，釋放超級計算能力并解決日益復雜的計算問題。
近日，國外科技媒體Allboutircuits采訪了 IBM 的物理學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 的獨家詳細信息。
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)和半導體自旋量子比特方面擁有豐富的經(jīng)驗。在 IBM，他專門研究超導量子位，研究其基礎物理并收集系統(tǒng)級指標。
具有 400 多個量子比特的量子處理器
IBM 的新量子處理器包含 433 個稱為transmon的量子位，它們本質(zhì)上是超導諧振器，可以存儲 0 或 1 個微波光子。可以通過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，因此我們可以獨立控制它們，”Dial 解釋道。“雖然 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備時確定的。我們不能在測試期間對其進行調(diào)整。這給我們的設備提供了很好的相干時間，但把重點放在準確制造東西上，所以我們可以滿足這個頻率要求。"
研究人員的設備由無源微波電路支持，該電路不會有意吸收或發(fā)射微波信號，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、保護量子位免于從驅(qū)動線路衰減的濾波器，以及向量子比特輸送微波信號和往返于讀出器的傳輸線（換句話說，就是導線）。
Dario Gil（IBM 高級副總裁兼研究總監(jiān)）、Jay Gambetta（IBM 院士兼量子計算副總裁）和 Jerry Chow（IBM 院士兼量子基礎設施總監(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。“然而，所有這些技術(shù)都必須修改為使用超導金屬。
這些多層設備將量子位放置在單個芯片上，該芯片通過超導鍵連接到稱為中介層的第二個芯片。內(nèi)插器的表面有讀出諧振器，內(nèi)部埋有多層布線，可將信號傳入和傳出設備。
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數(shù)，是 2021 年推出的 IBM Eagle 處理器的 127 個量子比特的三倍多。圖片由 Connie Zhou/IBM 提供
這種獨特的設計在量子比特、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在一個芯片上以保持良好的一致性的原因。
“我們在 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。“Eagle 是所有這些技術(shù)的第一個集成，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Eagle 的改進——而是它周邊的東西。”
更復雜的設計
IBM的新量子處理器在大約0.02開氏度的極低溫度下運行。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），該團隊不得不確定一種策略，將數(shù)百個微波信號傳送到這種低溫環(huán)境中。
"向我們的處理器輸送微波信號的電纜是一個特別的問題，因為大多數(shù)導電良好的東西也會導熱，從而損害我們冰箱的絕緣性能，"Dial解釋說。"為了解決這個問題，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，我們用使用標準印刷電路板技術(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的電纜、連接器和組件--簡化了我們的設計，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備支持，冰箱外的儀器可在經(jīng)典和量子計算工具之間創(chuàng)建接口。這些工具建立在IBM之前的工作基礎上，為新芯片生成微波控制信號，并解釋返回的信號。
IBM 的新處理器有可能運行復雜的量子電路，這超出了任何經(jīng)典計算機的能力。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:“我們實現(xiàn)了一種新的、更簡單的設計，用于生成基于直接數(shù)字合成和水冷卻的模擬信號，以增加電子設備的密度——讓我們達到每個機架400個量子比特的控制。”
Osprey 處理器基于經(jīng)過數(shù)年改進的平臺，采用 IBM 已經(jīng)在其 Falcon、Hummingbird 和 Eagle 處理器上測試和實施的技術(shù)。這些先前處理器的主要進步是芯片外部的布線和控制系統(tǒng)，以及擴展的軟件堆棧。
“我們還將一些學習融入到如何調(diào)整設備（即它的門禁時間，功率等）中，我們認為這將使設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。“我們認為這將使它成為研究錯誤緩解的理想平臺——運行多個略有變化的電路副本以生成更準確的期望值。”
邁向以量子為中心的超級計算時代
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計算時代（即量子計算機可以解決任意規(guī)模的問題）的又一步。
Dial解釋說:“當我們構(gòu)建經(jīng)典的超級計算機時，我們并不是構(gòu)建一個單一的快速處理器，而是利用多個處理器并行工作，從而創(chuàng)造了解決一個大問題或同時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)，用量子計算機解決用戶問題中最適合在量子計算機上解決的部分，而用經(jīng)典計算機解決他們問題中最好在經(jīng)典計算機上解決的部分。”
為了讓用戶能夠利用量子計算和經(jīng)典計算技術(shù)的優(yōu)勢，IBM 正在開發(fā)一系列中間件和軟件工具，以實現(xiàn)這些不同類型的計算系統(tǒng)之間更好的通信。
“在解釋這個想法時，我們經(jīng)常使用電路編織(circuit knitting)的例子，”Dial說。“我們的目標是將一個太大而無法在單個量子處理器上運行的單個量子電路分解成可以在多個處理器上運行的較小部分。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，但開銷（我們需要運行電路的額外次數(shù)）很大。如果我們擴展經(jīng)典通信以包括實時經(jīng)典通信（能夠在一個處理器上測量量子比特，將其轉(zhuǎn)換為經(jīng)典數(shù)據(jù)，將其移動到另一個處理器，并在幾微秒內(nèi)更改我們在第二個量子處理器上所做的操作），新的高級編織選項成為可能。這種更豐富的通信可以更好地擴展，但現(xiàn)在計算機需要足夠近才能實現(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，可以冷卻到設備的毫開爾文溫度，這樣當處理器冷卻下來時，它們就可以真正地凍結(jié)在系統(tǒng)中。
“我們在該領域開展的最后一個非常長期的項目稱為轉(zhuǎn)導（transduction）：使用光學光子而不是微波移動量子信息，”Dial 補充道。“這將使我們能夠制造可重構(gòu)的量子網(wǎng)絡，但這是一項更難掌握的技術(shù)。沒有人在我們的系統(tǒng)中充分證明這一點。”
其他進展和未來展望
在 2022 年 IBM 量子峰會上，IBM 還發(fā)布了量子系統(tǒng)2的更新，該平臺支持更大處理器的運行以及以量子為中心的超級計算機所特有的多種通信類型。結(jié)合其新的處理器和其他工具，該平臺為又一年激動人心的量子技術(shù)進步鋪平了道路。
“有些事情我們正在不斷努力改進：我們的量子比特相干時間、我們的門保真度、我們設備的密度和串擾，”Dial 說。“在接下來的一兩年里，我們還將專注于兩個以硬件為中心的大型項目。一種涉及量子處理器之間的各種類型的通信：實時經(jīng)典、芯片到芯片量子門（量子多芯片模塊）和遠程量子通信——以量子為中心的超級計算機的基本組成部分。另一個是在我們的生產(chǎn)系統(tǒng)中引入低溫 CMOS 控制。”
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到的量子位密度。該團隊希望轉(zhuǎn)向集成到冰箱中的基于 CMOS 的控制組件將簡化量子計算機中的布線和信號傳輸問題，使他們更接近開發(fā)具有數(shù)千個量子比特的系統(tǒng)的目標。
“當我們談論數(shù)萬個量子比特時，糾錯變得更加重要，”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)在擁有的連接更復雜。現(xiàn)在，我們的heavy-hex設備（以及人們制造的大多數(shù)設備）都有二維量子位陣列。每個量子位都以某種重復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距離量子比特之間建立連接，以及在這些連接之間進行交叉，這可能為能夠?qū)崿F(xiàn)高效容錯代碼的機器鋪平道路。”
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