IBM公司今日发布Quantum Nighthawk r3，这是其新一代量子处理器，旨在以更高速度处理更大规模、更复杂的计算任务，同时保持运算质量。

公司同时宣布，计划于2027年将两颗r3量子处理器连接成单一系统，最多可运行10000次量子操作，系统间扩展至超过1000个量子比特（qubit）。

从r2到r3的演进

"有用的量子计算，关键在于能否以准确且高速的方式交付结果，这两者都至关重要，"IBM研究院院长Jay Gambetta表示，"IBM Nighthawk已经让我们看到这样的能力今天是什么样子。"

新的r3芯片是继9月发布的Nighthawk r2之后推出的。r2在120个量子比特上支持超过7500次量子操作。量子比特是量子计算机中逻辑信息的基本单位，类似经典计算机的比特。与只能取0或1的经典比特不同，量子比特可以同时处于0、1或二者的"叠加态"。借助这一特性，IBM Nighthawk这样的量子处理器能够进行快速、复杂的并行计算。

r2芯片引入了开创性的高速量子比特复位架构，让开发者和研究人员在测量后能够快速重置量子比特。通常情况下，一个量子线路运行并测得结果后，量子比特必须回到基态才能运行下一个程序，这一过程可能耗时数百毫秒，意味着芯片在此期间处于空闲状态。借助这项新技术，等待时间可从约200毫秒缩短至约25纳秒，同时不干扰相邻量子比特。

基于从Nighthawk r2及其内置技术中积累的经验，IBM表示r3将把同样的高速架构扩展到更大规模的量子系统，在520个可编程量子比特和2034个物理量子组件上支持10000次操作。

超导量子比特与模块化扩展

物理量子比特是实际硬件层面的量子器件，负责存储量子信息。在Nighthawk中，量子比特是超导的，排列成方形晶格。可编程量子比特是可测量、活跃的量子数据单元，而额外的量子组件（包括耦合器和复位元件）为它们提供支撑。

IBM表示，它已经演示了两项将让两颗r3芯片得以合并的关键技术。今年，该公司用四个l-coupler（"远程"量子互连）将两颗Nighthawk r1处理器连接起来，作为独立处理器之间的物理桥接，从而构成一台更大的机器。在演示中，这些耦合器实现了99.4% 的传输保真度，正朝着99.9% 保真度的目标迈进。公司还将多个低温模块连接成了单一系统。

2027年，IBM计划利用这些模块化进展，将Nighthawk扩展为更大的量子系统。通过把两颗Nighthawk r3处理器连接成一个1040量子比特的系统，IBM将把这种高性能架构用于处理更大、更复杂的计算任务。

"随着我们把这种架构扩展到更大、更强大的量子计算机，量子计算的能力将达到新的高度——我们将与经典计算资源更紧密地集成，并向容错计算迈进。"Gambetta补充道。

量子与经典计算深度融合

IBM还宣布，其面向研究人员和开发者的云服务IBM Quantum Platform，将把高性能经典计算与量子计算整合到单一管理环境中。用户现在可以在该平台上把量子工作流直接与HPC和经典资源集成，也可以与笔记本电脑或全球最强超算上的经典计算集成。

量子与经典计算的融合，让传统计算机能够在专用CPU和GPU上编排算法与计算，同时由量子计算机并行运行计算。用户已经看到可喜的成果——克利夫兰诊所（Cleveland Clinic）利用该平台以高达三倍的速度处理260万个样本，用于生物结构建模。

量子与经典系统的直接集成，还将有助于推动量子纠错领域的突破。纠错是应对可能破坏单个量子比特稳定性的噪声、避免计算结果高概率出错的关键。Quantum Platform正推出脉冲级访问，让研究人员能够精确控制如何在量子和经典架构中检测、理解和纠正错误。

为此，IBM近期与超威半导体（AMD）以及橡树岭国家实验室的量子科学中心合作，推出了一款新的量子纠错平台。该平台在物理上把Nighthawk处理器与新一代AMD GPU和CPU部署在一起。