揭秘IBM 400+量子比特量子处理器设计细节

EETOP编译自Allboutircuits

在2022 年 11 月的IBM 量子峰会上，IBM 发布了Osprey，一款400+ 量子比特的量子处理器。IBM 的目标是到2025 年实现具有4,000+ 个量子比特的量子系统，释放超级计算能力并解决日益复杂的计算问题。

近日，国外科技媒体Allboutircuits采访了 IBM 的物理学家兼首席量子硬件架构师 Oliver Dial，他参与了新的 400+ 量子位量子处理器的开发。获取了有关 IBM 的 400+ 量子位量子处理器：Osprey 的独家详细信息。

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

Dial 在开发高频电子产品、低温系统和半导体自旋量子比特方面拥有丰富的经验。在 IBM，他专门研究超导量子位，研究其基础物理并收集系统级指标。

具有 400 多个量子比特的量子处理器

IBM 的新量子处理器包含 433 个称为transmon的量子位，它们本质上是超导谐振器，可以存储 0 或 1 个微波光子。可以通过从处理器外部向它们施加不同频率的微波脉冲来操纵这些量子位。

“我们的量子比特通过总线相互连接。由总线直接连接的不同量子比特具有不同的频率，因此我们可以独立控制它们，”Dial 解释道。“虽然 transmons 是一种常见的量子比特类型，但我们使用固定频率的 transmons——这意味着我们用来控制它们的微波频率是在我们制造设备时确定的。我们不能在测试期间对其进行调整。这给我们的设备提供了很好的相干时间，但把重点放在准确制造东西上，所以我们可以满足这个频率要求。"

研究人员的设备由无源微波电路支持，该电路不会有意吸收或发射微波信号，而是将它们重定向。片上无源电路的示例包括测量量子位状态的微波谐振器、保护量子位免于从驱动线路衰减的滤波器，以及向量子比特输送微波信号和往返于读出器的传输线（换句话说，就是导线）。

Dario Gil（IBM 高级副总裁兼研究总监）、Jay Gambetta（IBM 院士兼量子计算副总裁）和 Jerry Chow（IBM 院士兼量子基础设施总监）展示了 433 量子比特的 IBM Osprey 芯片。图片由 Ryan Lavine/IBM 提供

“我们用量子比特在芯片上构建所有这些电路，使用与传统CMOS工艺中所谓的后端布线相同的技术，”Dial说。“然而，所有这些技术都必须修改为使用超导金属。

这些多层设备将量子位放置在单个芯片上，该芯片通过超导键连接到称为中介层的第二个芯片。内插器的表面有读出谐振器，内部埋有多层布线，可将信号传入和传出设备。

IBM 交付其 433 量子位 Osprey 量子处理器。它拥有所有 IBM 量子处理器中最大的量子比特数，是 2021 年推出的 IBM Eagle 处理器的 127 个量子比特的三倍多。图片由 Connie Zhou/IBM 提供

这种独特的设计在量子比特、读出谐振器和其他电路之间形成了明显的隔离，减少了微波损耗，而量子比特对这种损耗非常敏感。最终，这也是研究人员能够将如此多的量子比特封装在一个芯片上以保持良好的一致性的原因。

“我们在 Eagle 中开发了这种通用结构，这是我们最后构建的 127 量子位处理器，”Dial 说。“Eagle 是所有这些技术的第一个集成，而 Osprey 证明我们可以使用它们来制造比我们以前制造的任何产品都更大的处理器。Osprey 上的很多新功能并不是芯片本身——它是 对Eagle 的改进——而是它周边的东西。”

更复杂的设计

IBM的新量子处理器在大约0.02开氏度的极低温度下运行。因此，考虑到其处理器的冰箱的冷却功率很小（大约100微瓦的功率），该团队不得不确定一种策略，将数百个微波信号传送到这种低温环境中。

"向我们的处理器输送微波信号的电缆是一个特别的问题，因为大多数导电良好的东西也会导热，从而损害我们冰箱的绝缘性能，"Dial解释说。"为了解决这个问题，我们的Eagle处理器使用了600多条电缆，每条电缆都是手工组装、布线和测试。在Osprey中，我们用使用标准印刷电路板技术制作的柔性带状电缆取代了大部分这些电缆。这些电缆中的每一条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"。

Osprey处理器由新一代控制电子设备支持，冰箱外的仪器可在经典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 Osprey 处理器上表示状态所需的经典位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却的模拟信号，以增加电子设备的密度——让我们达到每个机架400个量子比特的控制。”

Osprey 处理器基于经过数年改进的平台，采用 IBM 已经在其 Falcon、Hummingbird 和 Eagle 处理器上测试和实施的技术。这些先前处理器的主要进步是芯片外部的布线和控制系统，以及扩展的软件堆栈。

“我们还将一些学习融入到如何调整设备（即它的门禁时间，功率等）中，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平均保真度更好的，”Dial说。“我们认为这将使它成为研究错误缓解的理想平台——运行多个略有变化的电路副本以生成更准确的期望值。”

迈向以量子为中心的超级计算时代

戴尔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（即量子计算机可以解决任意规模的问题）的又一步。

Dial解释说:“当我们构建经典的超级计算机时，我们并不是构建一个单一的快速处理器，而是利用多个处理器并行工作，从而创造了解决一个大问题或同时解决许多小问题的灵活性。同样，我们希望致力于一种可以伸缩的量子架构，用量子计算机解决用户问题中最适合在量子计算机上解决的部分，而用经典计算机解决他们问题中最好在经典计算机上解决的部分。”

为了让用户能够利用量子计算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。

“在解释这个想法时，我们经常使用电路编织(circuit knitting)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单个量子电路分解成可以在多个处理器上运行的较小部分。如果我们所拥有的只是处理器之间的经典通信，我们可以做到这一点，但开销（我们需要运行电路的额外次数）很大。如果我们扩展经典通信以包括实时经典通信（能够在一个处理器上测量量子比特，将其转换为经典数据，将其移动到另一个处理器，并在几微秒内更改我们在第二个量子处理器上所做的操作），新的高级编织选项成为可能。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——距离是米，而不是英里。”

Dial 和他的同事们现在正在研究一种称为 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，这样当处理器冷却下来时，它们就可以真正地冻结在系统中。

“我们在该领域开展的最后一个非常长期的项目称为转导（transduction）：使用光学光子而不是微波移动量子信息，”Dial 补充道。“这将使我们能够制造可重构的量子网络，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 还发布了量子系统2的更新，该平台支持更大处理器的运行以及以量子为中心的超级计算机所特有的多种通信类型。结合其新的处理器和其他工具，该平台为又一年激动人心的量子技术进步铺平了道路。

“有些事情我们正在不断努力改进：我们的量子比特相干时间、我们的门保真度、我们设备的密度和串扰，”Dial 说。“在接下来的一两年里，我们还将专注于两个以硬件为中心的大型项目。一种涉及量子处理器之间的各种类型的通信：实时经典、芯片到芯片量子门（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。另一个是在我们的生产系统中引入低温 CMOS 控制。”

目前，IBM 的控制硬件基于现场可编程门阵列 (FPGA)，这增加了成本并限制了可达到的量子位密度。该团队希望转向集成到冰箱中的基于 CMOS 的控制组件将简化量子计算机中的布线和信号传输问题，使他们更接近开发具有数千个量子比特的系统的目标。

“当我们谈论数万个量子比特时，纠错变得更加重要，”Dial 指出。“我们相信我们可以获得更有效的纠错码，但这将需要我们的量子比特之间的连接比我们现在拥有的连接更复杂。现在，我们的heavy-hex设备（以及人们制造的大多数设备）都有二维量子位阵列。每个量子位都以某种重复模式连接到芯片表面上的其他附近的量子位。我们正在开始研究在芯片上的远距离量子比特之间建立连接，以及在这些连接之间进行交叉，这可能为能够实现高效容错代码的机器铺平道路。”

原文

https://www.allaboutcircuits.com/news/exclusive-ibm-shares-details-of-its-400-plus-qubit-quantum-processor