IBM公布Eagle处理器性能研究的进展-煤油灯科技

IBM公布Eagle处理器性能研究的进展

煤油灯科技2022-04-06 09:56

去年11月，IBM Quantum宣布推出Eagle，这是一款基于transmon超导量子比特架构的127量子比特(127-Q)量子处理器。IBM Quantum 团队将先进的半导体信号传输和封装技术应用到一个技术节点中，以开发超导量子处理器。

目前这套处理器的规模高达Eagle的127个量子比特，在猎鹰r4和r5处理器上的量子体积高达128个，在猎鹰r5处理器上每秒可以运行多达2400个电路层操作。

最近，IBM Quantum对他们的127量子比特Falcon处理器、65量子比特Hummingbird处理器和127量子比特Eagle处理器从以下3个方面进行了基准测试：

1.量子比特数量
2.量子体积
3.CLOPS(每秒电路层操作数)

自Eagle发布以来的五个月内，IBM Quantum团队有机会分析Eagle的性能，将其与之前的处理器(如IBM Quantum Falcon)的性能进行比较，并将学到的经验教训整合到进一步的修订中。在最近的APS三月会议上，IBM展示了对127量子比特技术、Eagle和Falcon之间的比较以及最新Eagle版本的基准进行了深入研究。

127量子比特Eagle处理器

多层布线和硅通孔

与IBM所有的处理器一样，Eagle依赖于超导transmon量子比特的架构。这些量子比特是非谐振荡器，约瑟夫森结(一种由放置在超导导线之间的势垒组成的量子硬件元件，能够创建功能量子比特所需的量子效应)或超导电路中的间隙作为非线性电感引入了非谐性。IBM使用经过特殊调谐的微波脉冲实现单量子比特门，它引入了叠加并改变了量子比特量子态的相位。IBM使用称为交叉共振门的可调谐微波脉冲实现双量子位纠缠门，它以目标量子位的跃迁频率照射控制量子位。执行这些微波激活操作要求我们能够以高保真、低串扰的方式传送微波信号。

Eagle 的核心技术进步是使用IBM的第三代信号传输方案。IBM的第一代处理器由量子比特晶片和印刷电路板顶部的单层金属组成。虽然这种方案适用于环形拓扑，即量子比特排列成环形的拓扑，但如果环形中心有任何量子比特，它就会失效，因为无法向它们传递微波信号。

IBM的第二代封装方案采用两个独立的芯片，每个芯片都有一层图案化金属，通过超导凸块键合连接：中介层晶片上的量子位晶片。这个方案能够将微波信号带到量子比特芯片的中心，这是 Falcon 和 Hummingbird 处理器的基石。但是，它要求所有的量子位控制和读出线都布线到芯片的外围，并且金属层之间不能相互隔离。

三代芯片封装对比

像以前一样，Eagle有一个量子比特晶圆凸点键合到一个中介层晶圆。但是，不同的是，IBM现在在中介层内添加了多层布线 (MLW)。他们在这个额外的层中路由他们的控制和读出信号，它与量子设备本身很好地隔离，可以将信号深入到大芯片中。

MLW层由三层金属层、各层之间的图案化平面化电介质以及连接金属层的短连接(称为通孔)组成。这些能级允许制造出相互隔离、与量子设备完全隔离的传输线。他们还在量子比特和中介层芯片上增加了衬底通孔。

在量子比特芯片中，这使其抑制了盒子模型(Box Model)，这有点像微波版本的玻璃，当你在里面唱特定的音高时，它就会振动。同时还让他们在量子比特和其他敏感的微波结构之间建立孔栅——密集的通孔墙。如果它们之间的距离远小于一个波长，这些通孔就像法拉第笼一样，可以防止电路元件之间的容性串扰。在中介层芯片中，这些通孔扮演着相同的角色，同时也允许将微波信号从MLW上下传输到芯片内部的任何位置。

减少串扰

“经典串扰”是超导量子计算机的一个重要错误源。IBM的芯片具有密集的微波线路阵列和可以传输和接收微波能量的电路元件。如果这些线路中的任何一条相互传输能量，他们应用并打算传输到一个量子比特的微波音调将会传输到另一个量子比特。

然而，对于由总线耦合以允许双量子比特门的量子比特而言，来自总线的所需量子耦合可能看起来类似于经典串扰的不良影响。IBM团队使用一种称为哈密顿断层扫描的方法估计来自耦合总线的效果量，并将它们从总效应中减去，只留下经典串扰的效应。

通过了解这种经典串扰的程度，对于耦合的量子比特，IBM团队甚至可以在双量子比特门期间对目标量子比特使用第二个微波“抵消”音调来消除经典串扰的一些影响。在其他情况下，对此进行补偿是不切实际的，并且经典串扰会增加IBM处理器的错误率——通常需要新的处理器版本。

MLW 和 TSV 为 Eagle 提供了天然的串扰屏蔽。如下图所示，尽管有更多的量子比特和更复杂的信号传输方案，但 Eagle 中的量子比特的高串扰比 Falcon 中的要小得多，最坏情况下的串扰要小得多。这些改进是意料之中的。在 Falcon 中，没有 TSV，电线穿过芯片，可以轻松地将能量传输到量子比特。使用 Eagle，每个信号都被量子位芯片的接地层和 MLW 层顶部的接地层之间的金属包围。

Falcon 与 Eagle 的经典串扰量。请注意，这是一个分位数图。中值在 x=0 处。

对于串扰最严重的量子比特，IBM看到相同的量子比特在两个不同的 Eagle 芯片上的串扰最严重。这是令人兴奋的，因为它表明最糟糕的串扰对是由于他们尚未解决的设计问题造成的——因此可以在下一代中纠正这个问题。

虽然已在处理串扰方面取得进展，但IBM仍面临挑战。Eagle有16000对量子比特。找到那些串扰大于1%的量子比特需要很长时间，大约11天，而且串扰可能是非局部的，因此这些量子比特对之间可能会出现串扰。他们通过同时在多个量子比特上进行串扰测量来加速这个过程。但是，如果他们选择在两对串扰很差的线对上并行运行，这种测量可能会被破坏。IBM仍在学习如何在合理的时间内获取这些数据集并管理大量的测量结果，以便IBM更好地了解 Eagle，并为未来的更大设备做好准备。

性能对比

尽管IBM使用量子体积来衡量综合“质量”，但现在有许多更精细的指标来表征IBM设备性能的各个方面，并指导量子处理器的开发，IBM也在 Eagle 中跟踪这些指标。

超导量子处理器面临各种错误，包括T1(测量从|1到|0状态的弛豫)、T(测量退相位——量子比特相位的随机化)和T2(T1和T的并行组合)。这些错误是由不完美的控制脉冲、虚假的量子比特间耦合、不完美的量子比特状态测量等等造成的。它们是不可避免的，但阈值定理表明，只要我们能够将硬件错误率降低到某个恒定阈值以下，我们就可以构建一台纠错的量子计算机。因此，IBM硬件团队的核心任务是提高硬件的相干时间和保真度，同时扩展到足够大的处理器，以便能够执行有意义的纠错计算。

IBM团队的核心任务是提高硬件的一致性时间和保真度，同时扩展到足够大的处理器以执行有意义的纠错计算。

IBM对 Eagle T1 的初始测量落后于 Falcon r5 处理器的 T1。因此，Eagle 上的双量子比特门保真度也低于 Falcon。然而，在IBM设计和制造 Eagle 的同时，IBM学会了如何制造更高一致性的 Falcon 处理器：Falcon r8。

IBM将这些变化应用到了Eagle r3中。现在，在Eagle中实现了与Falcon r8相同的相干时间，即400微秒。IBM预期双量子比特门保真度的改善会随之而来。他们对Eagle研究的一个持续焦点是读出性能指标。两个参数控制读出：量子比特与读出谐振器的耦合强度χ和光子离开谐振器的速度κ。选择这些参数时需要权衡利弊，因此设计的最重要目标是能够准确地选择这些参数，并确保它们在整个设备中的分布范围较小。

目前，如下图所示，Eagle在χ上持续且系统地落后Falcon设备(已经有了解决方案，计划在未来进行修订)。此外还发现Eagle的κ比Falcon的分布更广，Falcon的最高κ量子比特更高，最低κ量子比特更低。IBM发现，Purcell滤波器(一种带通或陷波滤波器，通过从其自身读出谐振器发射光子来防止量子比特衰减)的频率和读出谐振器频率之间的不匹配可能在起作用——IBM的硬件团队也在努力在这方面进行改进。