IBM发布量子Nighthawk r3处理器，计划2027年突破1,000量子比特

要站在量子计算的最前沿，与产业相关的应用既需要计算质量，也需要速度。速度之所以重要，是因为量子计算机以"采样"的方式给出答案：量子电路每运行一次只返回一个结果。各类应用日益要求在约100个乃至更多量子比特上执行数千次量子操作的电路，并产生数百万乃至数十亿个采样。规模和质量使日益复杂的计算成为可能，而速度则决定了这些高要求的工作负载能否在可行的时间范围内、以合理的成本完成。

Nighthawk r2：为真实世界工作负载提供速度

于今年9月推出的IBM Quantum Nighthawk r2每秒可提供高达100,000个采样，同时支持在120个量子比特上准确执行超过7,500次量子操作。其高速量子比特重置技术大幅缩短了电路执行之间的间隔时间，使应用能够高效地收集复杂计算所需的数百万乃至数十亿个采样。

包括E.ON、Algorithmiq和Q-CTRL在内的客户与合作伙伴迄今已在Nighthawk r2上执行了340亿个电路，报告的性能提升高达19倍，同时保持了科学计算所需的质量。

这些成果已在各行业展现出价值。E.ON报告称，在用于电网优化的量子机器学习任务中，Nighthawk r2实现了15倍的加速。IBM利用Nighthawk r2，将与美国橡树岭国家实验室今年早些时候合作开展的一项实验提速了12倍，该实验模拟了真实的磁性材料，产生的结果与中子散射实验数据一致。这两项加速均是相对于此前在IBM Quantum Heron上的工作而言的。Quantum Elements和ParityQC等合作伙伴也报告了各自Nighthawk r2工作负载上的显著性能提升。

IBM及其合作伙伴于7月发表的量子优势实验最初是在IBM Quantum Heron上运行的，相关电路和结果通过社区主导的Quantum Advantage Tracker公开，供独立验证。与Algorithmiq合作模拟异质量子材料的实验现已扩展到Nighthawk r2上，借助其速度和连接性，执行电路的速度比Heron上的原始实验快8倍。与此同时，新电路对经典计算机的模拟构成了大得多的挑战——使用主流的经典张量网络方法要达到相当的精度，所需内存估计要增加240倍。

Nighthawk r3：扩展到超过1,000个量子比特

在Nighthawk r2所展现的性能基础上，Nighthawk r3将把同样的高速架构扩展到更大的量子计算机。新处理器设计为支持在520个可编程量子比特上执行10,000次量子操作，物理量子比特总数达2,034个。它保留了r2的方格点阵连接性和快速操作特性，同时引入了10个芯片间互连，称为l耦合器（l-couplers），旨在将多个处理器连接成更大的系统。

IBM已展示了实现这种模块化方法的两项关键技术。今年，IBM使用4个l耦合器连接了Nighthawk r1处理器，实现了99.3%的量子态传输保真度，正朝着99.9%的目标迈进。IBM还首次将2个低温模块连接成单一系统，在5天内达到工作温度，并冷却至15毫开尔文以下。

这些进展共同展示了模块化方面的关键进步，增强了IBM将Nighthawk扩展到更大量子计算机的信心。2027年，IBM计划将两颗Nighthawk r3处理器连接成拥有1,040个量子比特的单一系统，将其高性能架构扩展到更大、更复杂的计算。

量子与经典计算在IBM Quantum Platform上融合

量子计算机的进步需要其与经典计算协同处理错误的方式持续改进。与产业相关的工作负载将需要量子纠错和误差缓解技术，以及噪声学习和后处理等多个层次。随着量子工作负载的扩展，它们将需要更多经典资源，而当前的挑战是如何最好地扩展这种集成。

为融合这两种计算范式，IBM Quantum Platform正将高性能计算（HPC）经典计算与量子计算整合到单一托管环境中。用户现在可以将量子工作流直接与各类经典计算集成——无论是来自笔记本电脑还是强大的超级计算机——也可以与平台上新推出的HPC和经典计算资源集成。

用户正在从这些集成中看到令人鼓舞的成果。例如，利用新环境，IBM与理化学研究所（RIKEN）的科学家执行其原始的基于采样的量子对角化（SQD）工作流时，速度快了约5倍，同时完成的计算量是原始研究的100倍。克利夫兰诊所（Cleveland Clinic）和理研也利用该平台自动处理了6.08亿个用于生物相关结构建模的采样，速度比没有工作流自动化时快了33倍。

增强的能力还将推动量子纠错领域的突破。IBM Quantum Platform提供脉冲级能力，使研究人员能够精确控制如何在量子和经典架构中检测、理解并更好地纠正错误。这有助于他们更好地掌握操作时机、更快地重置量子比特，并从量子测量中提取更多信息——让研究人员能够从最基础的层面改进量子纠错。

IBM最近与美国橡树岭国家实验室和AMD联合推出了一个新的量子纠错协同设计平台，将Nighthawk与ORNL的Umbra高性能计算（HPC）系统在物理上放置在同一地点，该系统由AMD Instinct MI355X GPU和第五代AMD EPYC CPU驱动。