IBM Nighthawk r2 如何把量子電路吞吐量推升至每秒 10 萬次以上

IBM 的 Nighthawk r2 處理器，在 IBM Quantum 平台上以 ibm_phoenix 提供服務。它能達到每秒超過 10 萬次量子電路執行，關鍵不在於把使用者可操作的量子位元數目大幅增加，而是解決超導量子電腦長期的一個「空等」問題：一輪電路結束後，量子位元必須回到乾淨的初始狀態，才能開始下一輪。

Nighthawk r2 配備 120 個可程式化超導量子位元，並為每一個量子位元加入可獨立運作的主動重設硬體。IBM 表示，這讓系統的最高電路吞吐量超過每秒 10 萬次，約為目前 Heron 機隊的 25 倍。117

速度瓶頸，其實是重設等待時間

量子程式通常必須把同一個電路重複執行許多次，也就是常說的 shots，才能從測量結果估計機率分布或物理可觀測量。每次執行完畢，超導量子位元可能仍處於激發狀態；若只能等待它自然鬆弛回基態，下一輪執行前的空檔就會變得很長。

IBM 指出，舊有的預設重複延遲為 250 微秒；Nighthawk r2 則縮短至 1 微秒。也就是說，這次約 25 倍的提升，主要不是單一量子閘突然快了 25 倍，而是大幅減少每次電路執行後的等待時間。17

這個差別很重要：電路吞吐量衡量的是系統能多快重複執行工作並收集統計結果。25 倍吞吐量不等於每一種演算法都會快 25 倍，更不代表已經達成通用的量子優勢。

用「耗散重設」取代被動等待

Nighthawk r2 不再主要依賴條件式重設與閒置等待，而是為每個可程式化量子位元配置「耗散重設元件」。高動態範圍的可調耦合器會暫時把量子位元連到低溫環境，將其激發能量導出，使量子位元能按需求回到基態。14

IBM 的數據顯示，未啟用重設時，量子位元有效鬆弛時間 T1 的中位數約為 200 微秒；啟用後則降至約 25 奈秒。實際兩次電路執行之間的系統級延遲約為 1 微秒，當中還包含控制、測量及其他系統開銷。317

簡單說，IBM 把原本只能等待的重設流程，變成可由硬體主動執行的操作。

120 個量子位元之外，還有哪些硬體？

Nighthawk r2 有 120 個可程式化超導量子位元，搭配 218 個量子位元間耦合器，以及 120 個獨立重設元件，每個可程式化量子位元各配一個，合計 458 個實體量子元件。1112

IBM 表示，這種逐量子位元設計帶來三項特性：

• 可獨立重設：重設某一量子位元時，不必讓所有量子位元一起進入相同程序。
• 較乾淨的初始化：IBM 表示初始化誤差約降低 25 倍。
• 維持閘操作品質：IBM 表示其分層閘誤差約為 3 × 10⁻³，與 Heron 系統相當；且啟用重設不會干擾相鄰、正在運算的量子位元。315

以上屬於 IBM 公布的效能結果。它們顯示快速重設可與 IBM 所稱的閘品質並存，但不構成獨立的容錯能力驗證。

哪些工作最能受益？

大量重複執行、量測或動態控制佔據大部分時間的工作負載，理論上最能從快速重設受益。例如，要估計一個物理量而必須執行數千、數百萬次電路時，若能消除大部分每輪結束後的等待，整體取得結果的時間就可能明顯縮短。

IBM 報告稱，該系統已能在超過 7,500 個量子閘的電路上準確估計可觀測量；在中子散射模擬中，則達成 12 倍加速，約 60 秒內產生與實驗室資料可比的光譜。這些結果可作為較高吞吐量能縮短特定工作負載周轉時間的證據，但不能解讀成所有應用程式都會有 12 倍或 25 倍加速。20

為何電路中途重設對錯誤更正很重要？

快速重設不只用在兩次電路執行之間，也能在同一次電路的中途發揮作用。

量子錯誤更正會反覆量測輔助量子位元，又常稱為檢查量子位元或症候量子位元，以找出資料量子位元可能出現的錯誤。每輪量測後，這些輔助量子位元需要重設，才能用於下一輪檢查。

有了電路中途量測與重設，系統可先量測輔助量子位元，再立即初始化並重複利用它，而非等待自然鬆弛。這能支援動態電路，並降低重複錯誤檢查循環的時間成本。IBM 將 Nighthawk r2 的獨立高速重設與動態電路支援，定位為量子錯誤更正研究所需的工具。1719

不過，這並不表示 Nighthawk r2 已是容錯量子電腦；它是未來容錯系統所需實驗能力中的一項關鍵硬體條件。

從比量子位元數量，轉向比「可用吞吐量」

Nighthawk r2 維持 120 個可程式化量子位元的規模，但更著重速度、連接性、初始化品質與閘操作表現。Nighthawk 採用方格晶格架構，每個量子位元最多可連接 4 個鄰居；IBM 先前的 heavy-hex 架構則最多連接 3 個鄰居。IBM 將 Nighthawk 家族定位為在大規模容錯之前，用來探索並擴展量子優勢的平台。22

這也點出一個現實：量子硬體是否實用，不能只看晶片上有多少量子位元。操作誤差、連接效率、初始化可靠性，以及能否在合理時間內收集足夠結果，都是決定工作負載能否真正跑起來的因素。

IBM Phoenix 在 IBM 路線圖上的位置

IBM 並未把 Nighthawk r2 定義為容錯機器；它是面向近期高吞吐量量子工作負載，以及測試與錯誤更正相關之動態控制技術的處理器。

IBM 已承諾在未來 5 年投入超過 100 億美元於量子運算，涵蓋研發、資本支出、製造擴產、生態系合作與併購。其路線圖目標是於 2029 年推出 IBM Quantum Starling；IBM 表示，這將是可運行 1 億個量子閘、具 200 個邏輯量子位元的模組化錯誤更正系統。2924

Nighthawk r2 的重點因此很明確：量子硬體的進步，不只是把更多量子位元塞進晶片。IBM 所稱的 25 倍吞吐量提升，來自減少每輪執行之間的閒置時間；這可讓現有的 120 量子位元硬體更有效率，也為未來錯誤更正系統所需、更快速的量測與重設循環累積經驗。117