IBM Nighthawk r2 點樣做到每秒逾 10 萬次量子電路？

IBM Nighthawk r2 嘅「快 25 倍」，重點其實唔係每一個量子閘突然快咗 25 倍，而係大幅減少每次量子電路跑完之後、下一次開始之前嘅等候時間。

量子位完成一次運算後，要先回到已知嘅初始狀態，通常寫作 (|0\rangle)，先適合再跑下一個電路。以前若量子位仍然處於激發狀態，系統往往要等佢自然鬆弛；對於需要反覆執行大量短電路、收集好多次量測結果（shots）嘅工作，呢段「等機」時間可以佔去好大比例。

Nighthawk r2 嘅做法係：為每個可編程量子位配上一個獨立嘅高速耗散式重設元件，主動將量子位冷卻返去基態。IBM 表示，首枚 Nighthawk r2 處理器以 ibm_phoenix 名義提供予合資格 IBM Quantum Platform 用戶使用，最高可達每秒逾 10 萬次電路執行，吞吐量最多較 Heron 系列高 25 倍。16

關鍵改動：逐粒量子位主動重設

報道所述，呢個耗散式重設機制會利用高動態範圍耦合器，按需要抽走可編程量子位嘅能量，令佢回到基態。啟動重設時，量子位有效鬆弛時間由約 200 微秒降至約 25 納秒；而且每粒量子位都可獨立處理，目標係唔會明顯干擾鄰近量子位。3

系統層面最直接嘅效果，就係預設重複延遲由 250 微秒縮短到 1 微秒。換句話講，做完一輪之後唔使「晾住」咁耐，下一輪可以更快開始。1

「25 倍」實際代表乜？ 呢個係電路執行吞吐量指標，特別適合用嚟衡量重設及重複延遲佔較多時間嘅工作負載；唔代表每個量子閘本身都快咗 25 倍。

晶片上有啲乜？120 個量子位之外，仲有重設硬件

Nighthawk r2 有 120 個可編程量子位，採用方格晶格架構，每個量子位最多連接四個相鄰量子位。其物理組成包括：

• 120 個可編程量子位：負責執行量子運算；
• 218 個專用耦合器：提供雙量子位連接；
• 120 個獨立重設元件：每個可編程量子位各配一個。

合計共有 458 個物理量子元件。要留意，120 個重設元件係支援初始化嘅硬件，唔係多咗 120 個運算量子位。1218

呢個設計反映咗量子硬件研發一個愈來愈重要嘅取向：實際可完成嘅工作量，唔只由量子位數目決定，連接能力、閘門保真度、控制、初始化質素，以及完成重複工作負載嘅速度，同樣關鍵。

快得嚟，仲要重設得乾淨

重設快，唔等於一定有用；如果重設後初始狀態唔可靠，或者影響隔籬量子位，反而可能令結果更差。

IBM 指出，Nighthawk r2 嘅主動重設令全機初始化誤差降低約 25 倍，同時維持 Heron 級別嘅閘門保真度。IBM 亦表示，該重設機制設計上不會對鄰近量子位造成實質干擾。6

呢點好重要，因為初始化本身就係整體誤差預算嘅一部分。跑得快但起跑點唔準，未必真係更有效。IBM 嘅主張係，Nighthawk r2 一方面縮短周轉時間，另一方面保住 Heron 嘅閘門質素基準。16

點解「每秒多跑幾多個電路」有實際價值？

電路吞吐量對要重複執行嘅任務尤其重要，例如抽樣、估算可觀測量、校準、變分方法，以及其他要靠大量 shots 收集統計數據嘅實驗。呢類工作入面，重設等待若太長，處理器其實有相當一段時間處於閒置狀態。

IBM 表示，Nighthawk r2 已展示可在包含超過 7,500 個閘門嘅電路上，準確估算可觀測量。呢個係電路深度／複雜度方面嘅結果；「每秒逾 10 萬個電路」則係吞吐量指標。兩者放埋一齊，係想展示裝置同時兼顧複雜工作負載同執行頻率。6

但兩個數字唔應混為一談：高吞吐量唔表示任何長而複雜嘅演算法都可以可靠運行；同樣地，深度電路示範亦唔會自動說明裝置可以幾快產出大量重複結果。Nighthawk r2 嘅取向係，在可編程量子位維持 120 個之下，同時改善呢兩個維度。617

支援電路中途重設，對量子糾錯研究有咩意思？

Nighthawk r2 嘅重設能力亦可用於動態、電路中途嘅工作流程。原理上，一粒量子位量測後可以重設再重用，而唔使喺同一個較大計算中一直閒置。

呢種能力對量子錯誤校正研究特別相關。做錯誤檢查時，輔助量子位可能要反覆量測、清除及重新使用，以監察資料量子位。快速而獨立嘅重設有助減低呢類循環嘅開銷，亦令硬件更適合探索相關協定。IBM 將 Nighthawk 定位為大型容錯量子運算之前、用嚟探索及擴展工作負載嘅平台。618

Nighthawk r2 喺 IBM 路線圖嘅位置

Nighthawk r2 已透過 IBM Quantum Platform 提供為 ibm_phoenix，適用於指定服務計劃。IBM 將佢描述為：喺固定 120 個可編程量子位容量下，提升可用工作量嘅一步，焦點唔只係堆高量子位數，而係規模、品質同速度三者配合。117

不過，佢唔係容錯量子電腦。IBM 所規劃嘅 Starling 系統目標於 2029 年推出，定位為採用模組化、經錯誤校正架構嘅系統，預期可在 200 個邏輯量子位上執行 1 億個量子閘。呢個係 IBM 嘅路線圖目標，並非 Nighthawk r2 今日已經具備嘅能力。1729

總結：加速嘅係「下一輪幾時開得工」

Nighthawk r2 最矚目嘅提升，來自消除大量兩次電路執行之間嘅空檔。透過為每個可編程量子位配置獨立耗散式重設硬件，IBM 表示可更快、更完整咁重設量子位，將預設重複延遲降至 1 微秒，並做到每秒逾 10 萬次電路執行。16

所以，對量子運算用戶而言，重點唔係「量子閘快咗 25 倍」，而係喺維持相若閘門保真度下，可以更快收集重複電路結果。對 shots 密集型任務、動態電路同量子錯誤校正研究，呢種改善尤其實在。16