IBM在2021年11月下旬舉行的年度量子高峰會(Quantum Summit)上發表了127量子位元(qubit)的Eagle處理器，可望為量子運算的實際應用奠定基礎。IBM的技術藍圖目標是實現「量子優勢」(quantum advantage)，讓量子電腦在2023年執行與傳統電腦相同的任務時，能更便宜、更快或更精確。

量子電腦是利用量子位元以量子格式來呈現資訊，不同於一個以位元運作的傳統電腦呈現資料的方式，量子資料可能同時代表「1」或「0」的。在理論上，量子電腦執行特定運算任務時，會比數位化電腦更快且更有效率。包括IBM和Google和Microsoft等其他公司，正致力於朝量子臨界點拓展。

IBM首席量子專家Bob Sutor在接受訪問時表示，突破100量子位元的障礙強調了擴充量子架構的必要性；「借助傳統CMOS半導體製造技術，我們可以在外部邊緣裝置存取像是晶片內那麼多的量子位元。」他指出，該127量子位元處理器是利用多個六角形架構來實現外部額外的量子位元，該設計也將為未來的容錯系統鋪路。

而IBM預期在2022年發表433量子位元處理器Osprey；1,121量子位元處理器Condor則預計在2023年上市，能夠執行錯誤校正等任務。「大家都在談論量子位元的數目，這對於執行更複雜的運算確實是很重要；」IBM Research研究總監Darío Gil表示：「但是量子位元數目的規模，只是我們衡量量子處理器性能的其中一個面向。」

Gil指出，Eagle處理器能讓IBM的研究人員聚焦於三個量子性能指標：規模、品質和速度；「為了提升品質，Eagle利用控制電子和軟體的量子位元製造最新進展，這將有助於我們把它的量子數目最大化。」

「為提高速度，Eagle將整合經典的運算工作流程；」Gil補充：「利用Qiskit Runtime和其他的改善方法，來最大化每秒可執行的量子電路數目，持續發展軟體系統以跟上硬體的進步很重要。」IBM計畫為金融、機械學習和化學等應用，開發新的電路資料庫。

量子的未來

Eagle處理器也被推廣成未來量子運算演進的基礎。舉例來說，每個額外的量子位元會使空間複雜度(space complexity)加倍，也就是可供執行量子演算法所需的記憶體空間量。「量子力學的數學明顯是多維度的；」Gil表示：「數學裡的這種抽象就是大自然運作的方式。這聽起來很像是科幻小說，但是並非如此，它只是科學。」

過去幾十年來，科學家對電腦的假設，是利用與建立次原子粒子(subatomic particles)行為模型相同的一樣的物理學和數學。量子力學描述我們周遭的一切，超越傳統的電腦，在許多領域提供了更好的模擬。建立量子電腦的主要挑戰是雜訊──即使最小的外部雜訊都會導致量子位元退相干(decohere)的發生。

「為了獲得良好的性能，我們需要在擁有許多量子位元，提升相干時間與量子閘保真(gate fidelity)品質，以及有夠快的執行速度讓量子運算得以實現三者間取得平衡；」Sutor表示：「如果這三個元素有任何一個太差或太小，以該系統完成的量子運算就沒有用。」

IBM的433量子位元處理器Osprey，「將會持續和社群一同發展Qiskit開放源碼軟體開發平台，我們將會與客戶與夥伴一起合作，讓我們更接近有用且具突破性的量子運算的產業應用。」

量子處理器的演進

隨著量子運算規模的擴展，人們的關注焦點也轉向真實世界的應用。而如果量子運算的擴展可以藉由量子位元數目和量子體積的品質來衡量，那麼量子處理速度則是透過在一個合理的時間內，這些量子位元所能執行的有效工作來衡量。

IBM以每秒可處理的「量子電路層」(quantum circuit layers)數目來定義量子處理速度。相似於傳統運算中的每秒浮點運算，改善QPU速度對實際的量子運算來說相當重要。

有用的量子運算需要盡可能在更多的電路上執行，有些應用需要超過十億個以上的電路層。在最低層級，QPU的速度是受到底層架構所驅動，因此IBM 選擇超導量子位元，讓量子位元能夠更容易與諧振器與處理器耦合，實現更快速的量子閘、重設和讀出等基礎。

「雖然我們稱之為量子運算，」Sutor指出：「它實際上是一個新量子處理器和控制單元，與經典運算的整合。而因為我們已經了解經典運算部分，這讓我們擁有龐大的優勢。」

相較於65量子位元處理器Hummingbird， Eagle多了將近兩倍的量子位元。根據IBM說法，用以開發先前幾代量子處理器的技術必須加以結合和改進，以開發出一個能夠利用先進3D封裝技術的處理器。這個方法能作為1,000+量子位元Condor處理器的基礎。

Egale是以較早期的Falcon處理器「重六角形」(heavy hexagon)量子位元架構為基礎，其中量子位元是連結到兩個或三個鄰近的位元，就好像位於鑲嵌六角形的角落與邊緣。這些連結會降低由相鄰量子位元間的互動所導致的潛在錯誤。Egale也能夠結合讀出作業多工，減少在稀釋冷卻步驟所需的電子元件和線路數量要求。

IBM指出，3D整合允許特定的微波電路元件和繞線發生在不同的實體層，雖然量子位元封裝仍是設計未來量子電腦最大的挑戰，多層繞線和其他元件能夠協助提高未來量子處理器(QPU)的量子位元數目。

事實上，IBM最新的QPU類似一組多層晶片；將Josephson結為基礎的超導連結放在一個晶片上，然後透過凸塊鍵合(bumper bonds)連結一個單獨的中介層晶片。這個中介層晶片提供經由標準CMOS封裝技術到量子位元的關鍵連結，包含了基板通孔和埋線層──這是該技術的一種獨特用途。

IBM還介紹了鎖定資料中心應用的量子運算系統原型Quantum System Two；該公司特別強調該平台的模組化設計，能讓硬體進行必要的擴充。System Two包含了低溫的元件和高密度的線路，以及一個新的具可擴充性的量子位元控制電路。IBM正與Bluefors合作重新設計低溫元件，可望提供更大的低溫面積，透過新互連或分散的專屬冷卻區域，來連結量子處理器。

Gil指出，做為資料中心工作負載傳統處理程序的補充，System Two代表著人們朝向量子硬體的使用又邁進一步，為讓量子運算更進一步被擴大採用的產業生態系奠定基礎。

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年1月號

責編：Judith Cheng

(參考原文：IBM Advances Quantum Roadmap With 127-Qubit Eagle Processor，By Maurizio Di Paolo Emilio)

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