IBM Nighthawk r2 的 25 倍提速，來自更快重設量子位元

IBM Nighthawk r2 的「快 25 倍」並不是指每一個量子閘都快了 25 倍，而是針對量子運算中很實際、也常被忽略的瓶頸：一條電路跑完後，必須等待量子位元回到可重新開始的初始狀態。

IBM 為 120 個可程式化量子位元逐一加入獨立的高速耗散式重設元件。依 IBM 說法，這讓 ibm_phoenix 的最大電路吞吐量可超過每秒 10 萬次，最高達 Heron 系列的 25 倍。16

核心改變：每個量子位元都能主動重設

量子電路通常需要從已知初始狀態開始，常寫為 (|0\rangle)。若前一次執行後量子位元仍帶有激發能量，系統要嘛等待它自然鬆弛，要嘛以其他方式將它重設；對於許多短電路、且必須反覆收集大量結果的工作負載，這段等待時間可能佔去相當大比例。

Nighthawk r2 為每個量子位元配置一個獨立的耗散式重設元件。IBM 將其描述為主動把量子位元冷卻回基態；相關報導指出，這套機制以高動態範圍耦合器按需抽走量子位元的能量。啟用重設時，量子位元的有效鬆弛時間據報可由約 200 微秒降至約 25 奈秒。36

因此，IBM 將預設的電路重複延遲從 250 微秒縮短至 1 微秒，讓下一次執行能更快開始。1

「25 倍」究竟代表什麼？ 這是電路執行吞吐量的指標，特別適用於重設與重複延遲佔總時間比重高的情境；它不代表所有量子閘的運作速度都提高了 25 倍。

晶片上有哪些元件？

Nighthawk r2 是一款 120 個可程式化量子位元的處理器，採方格晶格架構，每個量子位元最多可與四個鄰近量子位元連接。其實體組成包括：

• 120 個可程式化量子位元：用來執行量子操作；
• 218 個專用耦合器：提供雙量子位元操作所需的連接性；
• 120 個獨立重設元件：每個可程式化量子位元各配對一個。

合計共有 458 個實體量子元件。要注意的是，重設元件屬於支援硬體，並不是增加運算能力的量子位元。1218

這也反映量子硬體設計的一項取捨：提高實際可完成的工作量，不只靠堆高量子位元數目，也取決於連接性、閘保真度、控制能力、初始化品質，以及系統完成大量重複工作時的節奏。

重設不只要快，還必須乾淨

如果快速重設會留下不可靠的初始狀態，或干擾附近量子位元，它的價值就會大打折扣。IBM 表示，Nighthawk r2 的主動重設將初始化誤差降低約 25 倍，同時維持 Heron 等級的量子閘保真度；IBM 也稱該機制的設計目標是重設個別量子位元時，不對鄰近量子位元造成實質干擾。6

這很關鍵，因為初始化誤差同樣是整體計算誤差預算的一部分。若更快的實驗是從較不可靠的起點出發，結果未必更好。IBM 的說法是，Nighthawk r2 在縮短周轉時間的同時，維持了 Heron 的閘品質基準。16

為何「每秒更多電路」有時比「更多量子位元」更實用？

電路吞吐量對需要大量重複執行的任務格外重要，例如取樣、可觀測量估計、校準、變分方法，以及其他必須透過大量 shots（重複量測）累積統計結果的實驗。在這些情境裡，若每次執行後都要長時間等待重設，處理器會有不少時間處於閒置狀態。

IBM 表示，Nighthawk r2 已展示在超過 7,500 個量子閘的電路上進行準確可觀測量估計的能力。這是關於電路深度或複雜度的成果；而每秒超過 10 萬條電路則是吞吐量指標。兩者合起來，是 IBM 用以呈現其在「可處理的電路複雜度」與「重複執行速度」兩方面進展的證據。6

但兩者不能混為一談：很高的每秒電路數，不等於機器能可靠執行任何長度或複雜度的演算法；同樣地，展示深電路能力，也不會自動說明它能以多快速度產生重複結果。Nighthawk r2 的設計重點，是在可程式化量子位元數維持 120 個的條件下，同時改善這兩個面向。617

中途重設，對錯誤更正研究尤其重要

這項重設能力也可用於電路執行途中。理論上，量子位元可在較大型的計算內被量測、重設，再次使用，而非量測後就一直閒置。

這對量子錯誤更正實驗尤其相關。在這類實驗中，輔助量子位元可能需要反覆量測並重新初始化，以持續檢查資料量子位元。快速且獨立的重設可減少這些週期的負擔，使硬體更適合探索相關協定。IBM 將 Nighthawk 定位為在大規模容錯量子運算前，用來探索與擴展工作負載的平台。618

在 IBM 路線圖中的位置

Nighthawk r2 已透過 IBM Quantum Platform 以 ibm_phoenix 名稱提供給符合資格的方案使用。IBM 對它的定位，是在固定的 120 個可程式化量子位元容量下，透過規模、品質與速度的組合產出更多可用工作量，而不是只追求更大的量子位元數字。117

不過，它尚不是容錯量子電腦。IBM 規劃中的 Starling 系統目標為 2029 年推出，定位為可進行錯誤更正的模組化系統，預計可在 200 個邏輯量子位元上執行 1 億個量子閘。這是 IBM 的路線圖目標，並非 Nighthawk r2 已經具備的能力。1729

結論：IBM 縮短的是電路之間的「空檔」

Nighthawk r2 的亮點，主要是大幅減少一次電路結束與下一次開始之間的閒置時間。藉由讓每個可程式化量子位元配備獨立的耗散式重設硬體，IBM 表示它能更快、更完整地將量子位元重設至初始狀態，並把預設重複延遲降至 1 微秒，達成每秒超過 10 萬次的電路執行量。16

對量子運算使用者而言，實際意義不是「量子閘突然快了 25 倍」，而是在保有相近閘保真度的前提下，更快取得大量重複電路結果。這對高度依賴 shots 的工作負載、動態電路，以及量子錯誤更正研究尤其重要。16