一、背景3月,霍尼韦尔声称其实现了世界上最强大的量子体积为64的量子计算机。从我们之前统计的世界上量子计算机的量子芯片质量来看,霍尼韦尔采用了离子井的物理实现方式,能够实现较高的门操作保真度,能够实现4个9的门操作精度。因此,在对量子体积线路进行验证时具有较好的效果。为了实现64的量子体积,IBM在门保真度和消相干时间方面做足了功课。从下表不难发现(表第一行为IBM 64量子体积的计算机性能参数),IBM不再片面追求量子比特的数量,而是走的另外一条“小而精”的路线,将门保真度和相干时间努力进行提升。
关于全球量子芯片测评以及性能对比,可参考以下文章:
量子体积(Quantum Volume)是IBM提出的用以衡量量子计算机性能的一项重要指标,综合考虑了量子计算机中量子寄存器数量、噪声以及量子线路最大可达深度等。
关于量子体积方面的文章,可参考之前的公众号文章:下面Vincent带大家一起看看IBM如何实现了64量子体积的量子计算机。
二、技术实现在IBM最新发布于arxiv的论文“Demonstration of quantum volume 64 on asuperconducting quantum computing system”中,IBM量子计算团队(其中第二位作者为ScaffCC量子编译器的作者)在IBM Montreal超导量子计算机上验证了量子体积为64的量子线路,证明了要想实现更大的量子体积,需要同时在相干时间、门保真度、测量保真度以及量子软硬件协同方面进行优化。从量子体积发展的历史来看:IBM Johannesburg的量子体积为16;
Rigetti Aspen-4的量子体积为8;
经过对两比特门的优化以及使用旋转回波脉冲(rotary echo pulse)来减少门噪声,IBM在IBM Johannesburg验证了量子体积为32的量子线路;
初,Honeywell实现了量子体积为64的量子计算机,并声称该计算机是世界上性能最为强大的量子计算机。经过研究,IBM发现为了实现更高的量子体积,在量子云平台中仅仅靠提供量子线路编程和编译优化工具是远远不够的,而且还需要提供时序以及脉冲的控制接口。在最新发布的量子体积为64的量子计算机中,IBM从以下方面进行了优化:优化早期的Qiskit量子编译器;实现了激发态放大(excited state promoted, ESP)读取;实现更快的双门操作;增加了孤立量子比特的可调耦合器。虽然任何一项改进足以使得IBM Montreal达到64的量子体积,而IBM却将这些优化技术组合在一起,在实现64位的量子体积的同时,能够实现HOP(heavyoutput probability)在置信度为98.744%的基础上达到0.701 ± 0.031。显然,在量子体积的测试中,超过了HOP设定的阈值2/3。2.1 IBM Montreal量子计算机芯片结构IBM Montreal采用IBM实现的Falcon量子芯片。该芯片共有27个量子比特,其结构如图所示。
图a为量子芯片的外部视图,图b为量子比特的连接情况。用于验证64量子体积的量子比特共有6个,用黄色圆圈标出。虚线表示一组量子比特可以通过多路复用的方式实现量子态读取。单个量子比特的质量见前面的总表第一行。在测量单门保真度时,对多个量子比特同时进行测量;在测量双门保真度时,选取两个比特进行Randomized Benchmarking。量子比特的transmon工作频率在5GHz;单个量子比特频率的微波脉冲时间为21.33ns;双比特门的时延为199-309ns。每个量子比特的性能参数如下图所示。其中,EPG(error per gate)表示单门错误率,RAE(Readout Assignment Error)表示读取错误率。双门保真度及双门操作时间显示在两个比特之间的横线上。
2.2 量子编译器IBM实现的量子编译器主要包含了两个阶段。首先将量子线路映射到物理芯片量子比特上。受到底层物理芯片量子比特之间连通性的约束,在该阶段生成的量子线路主要包括了一组SU(4)门,还包括了SWAP门从而保证量子线路能够在量子拓扑结构上运行。第二个阶段是实现量子线路的优化。在Qiskit量子编译器中,采用了新的pass来实现上述的过程。具体编译优化过程会在本公众号后续的文章中进行深入分析。
2.3 可调耦合器
当量子线路映射到底层物理硬件上时,并不是所有的门操作都能够并行执行。不同的门之间的执行时间区别非常大。
因此,需要针对特定底层量子芯片门操作以及连通性来确定哪些门能够并行执行。
对于空闲的量子比特,其状态并不会像理想情况下那样一直保存下去。
由于噪声的存在(包括热弛豫、串扰、白噪声等),量子线路的深度和宽度都会受到非常大的影响。因此,在IBM Montreal量子计算机中,采用了一系列的可调耦合优化手段来减少噪声。2.4 直接实现CX门64量子体积的验证量子线路平均情况下包含了57个双门操作以及146个单门操作。在量子比特的相干时间内,任何门操作时间的提升都能够在有限的时间内完成更多的门操作。然而,最优的门操作时间有可能使得门操作保真度下降。目前,如何实现门操作时间以及保真度的最优化还没有较好的解决方法。因此,在IBM的量子计算机中,主要的优化目标是减少双比特门的操作时间。IBM采用的技术手段是将底层的ECR(Echoed Cross-Resonance)门分解为若干单比特旋转门以及双比特门的纠缠。2.5 量子态制备和读取在制备量子态时,IBM量子系统采用了一种极为简单的方式——等待几倍的T1时间,从而使得量子比特回归初态。在进行量子态读取时,在第一个和第二个激发态之间应用π波。
三、结论(并非论文结论,谨代表个人观点)量子计算机仍然处于发展的早期阶段,在研究的过程中不能仅仅去追求比特数目的噱头,更多的应该在于用量子计算机解决实际问题能力的提升。
量子体积并不是衡量量子性能的唯一标准,但目前看起来是较为科学且认可度较高的一项综合指标。
量子计算机的优化必须要走软硬件结合的道路,单纯依靠软件优化和硬件优化都是不够的。参考资料:
1./abs/.08571
如果觉得《ibm的量子计算机技术 IBM实现又一台量子体积64的世界上最强量子计算机!》对你有帮助,请点赞、收藏,并留下你的观点哦!