【科技资讯】IBM官宣速度最快量子处理器！提速25倍，真正的杀招藏在「复位」里

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量子计算圈最近属实很热闹。

近日，IBM正式发布了Nighthawk r2量子处理器。IBM声称，Nighthawk r2是其迄今为止速度最快的量子处理器。

它拥有120个可编程量子比特和开创性的高速复位架构，每秒能够执行超过10万个电路，吞吐量是IBM Quantum Heron处理器的25倍。此外，该处理器已在包含超过7500个门的电路上展示了准确的可观测估计能力，实现了IBM量子路线图2026年的重要里程碑。

事实上，IBM主要是从规模、质量和速度三个维度对量子硬件进行评估。相较于Nighthawk r1，此次发布的Nighthawk r2保持了r1的规模，同时在质量上有针对性地提升，但其最显著的进步在于速度。

也就是说，Nighthawk r2主要解决的问题是，量子比特在执行完一轮电路后，如何快速、可靠地回到可用初态。

提速的关键

量子电路不是执行一次就结束的。量子计算一般需要对同一电路进行大量的重复运行，再通过统计结果得到最终答案。在每轮计算开始之前，量子比特必须处于确定的初始状态。

在包括Heron在内的此前IBM处理器上，条件复位需要先测量量子比特，如果测得其处于激发态，就施加翻转脉冲，使其返回基态。这种条件复位依赖测量结果，也无法有效处理从计算子空间泄漏出去的量子状态。

因此，在早期IBM量子处理器中，系统大多需要在两次电路执行之间保留较长的空闲时间，以确保量子比特完成复位。IBM在官方资料中表示，这个等待时间可能达到数百微秒。

显然，对于需要重复采样数千次、数万次的工作负载来说，真正限制系统吞吐量的未必是门操作本身，而可能是电路之间的等待过程。

Nighthawk r2采用了不同的路径。IBM为每个可编程量子比特配置了独立的高速复位元件，并通过高动态范围可调耦合器将量子比特连接到低温环境。启动复位后，量子比特可以按需向冷环境耗散能量，从而主动回到基态。

这是一种耗散式复位机制。IBM报告，开启相关耦合后，有效能量弛豫时间T₁可从约200微秒降至约25纳秒，电路执行之间的空闲时间则可缩短至约1微秒。

这个改动看起来是发生在电路执行的间隙，但它会直接影响系统的有效计算能力。IBM称，Nighthawk r2每秒可执行超过10万条电路，比Heron快了25倍，而Heron系统约为每秒4000条。

不过，需要注意的是，这里的指标主要是电路吞吐量，并不等于任何单个量子算法都能获得25倍加速。对于需要大规模重复运行和采样的任务，吞吐量提升更有意义；对于受门保真度、算法结构或经典后处理限制的任务，实际收益则可能不同。

不牺牲精度

从硬件结构看，Nighthawk r2拥有120个可编程量子比特、218个耦合器和120个独立复位元件，共计458个物理量子元件。从工程角度看，这些额外的耦合器和复位元件几乎与可编程量子比特没什么太大区别，使Nighthawk r2成为IBM迄今为止投入使用的最复杂的量子处理器。

然而，额外的耦合器和复位单元增加了系统控制和封装复杂度，也让量子比特能够被独立初始化。

独立复位的价值不仅是更快。IBM表示，新的主动复位机制可以将初始化误差降低约25倍，同时保持与Heron相当的量子门保真度，并尽量避免对邻近量子比特造成干扰。

而且Nighthawk r2沿用了方形晶格架构。在这种结构中，大多数量子比特连接四个最近邻，比上一代的两到三个连接提供了更高的设计灵活性和效率。

同时，对超导量子处理器来说，复位操作不能以牺牲周边量子比特性能为代价。否则，局部性能的提升可能会转化为整个芯片误差率的上升。

Nighthawk r2还支持在单个电路执行过程中进行量子比特复位。这一能力和动态电路直接相关。动态电路允许系统在运行期间读取部分量子比特的测量结果，再根据结果决定后续操作。量子纠错协议、量子经典反馈、部分容错计算实验等都需要这种实时控制能力。

在量子纠错中，辅助量子比特需要被反复使用。它们负责检测数据量子比特中的错误，完成一次测量后还要尽快恢复到可用状态，方便参与下一轮错误检测。因此，Nighthawk r2的独立高速复位，为时空检查等量子纠错操作提供了更大的实验空间。

IBM还说明了Nighthawk r2在具体工作负载上的早期结果。在部分优势候选电路测试中，系统运行速度最高可以提升约10倍，同时没有明显牺牲计算准确性。在中子散射模拟中，Nighthawk r2的通量提升带来了约12倍的速度提升，生成的光谱可以在约60秒内与实验室数据进行比较。

一个里程碑

Nighthawk r2还在包含7500个门的电路上，利用概率误差放大（PEA）实现了精确的可观测估计。这是实现日益复杂量子电路可靠执行的重要里程碑，也是2026年IBM量子路线图的重要目标。

量子门数量增加后，噪声会在电路中累积，结果很容易偏离目标值。这里用到的PEA会先学习系统噪声的特性，然后人为地、有控制地放大噪声，测量不同噪声强度下的可观测量期望值，最后利用零噪声外推估计理想情况下的结果。

这种方法为了减少噪声影响，先主动增加噪声，利用可识别的变化趋势改善统计估计，并没有让每一次门操作都变得无误差。额外实验也需要采样时间，因此，更高吞吐量有机会降低这类研究的时间开销。

所以，7500门应当理解为特定实验条件下的可观测量估计能力，不能扩大为任意同等规模电路都能可靠运行。电路结构、噪声模型、采样数量和目标精度，都会影响结果是否可用。

不过，IBM承诺：“无论你是在扩大应用研究规模，探索动态电路的力量，还是推动最新的量子纠错研究，这个新系统都将帮助你更快地完成更多量子计算。归根结底，量子计算机最重要的不是量子比特或组件的数量，而是系统能够提供的有用计算量。”

此前，IBM就曾预告过Nighthawk的路线图：2026年底支持7500个门，2027年达到10000个，2028年达到15000个。Nighthawk r2准时兑现了2026年的节点。

自2020年发布首份量子路线图以来，IBM一直沿用量子路线图透明推进，规划了实现实用量子计算所需的步骤。该路线图的最新修订版规划了至2033年及以后的路径，迄今为止，IBM已成功实现每个里程碑。

参考链接：

– IBM官方Nighthawk r2介绍

– ITpro相关报道

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