IBM更新量子路线图：Nighthawk r3芯片亮相，2027年组千比特系统

IBM 的量子计算路线图有了新版本，重头戏落在 IBM Quantum Nighthawk r3 处理器上。

按照 IBM 的说法，这颗处理器能对 520 个量子比特执行 10000 次量子运算。IBM 还计划在 2027 年把两个 Nighthawk r3 处理器连起来，组成一个量子比特数超过 1000 的单一系统。

IBM 研究院院长兼 IBM 院士杰伊·甘贝塔在声明中称，Nighthawk 系列量子处理器对扩展公司的量子计算架构、并将其与经典高性能计算相集成十分关键。

这次发布距离 9 月部署的 Nighthawk r2 处理器并不远。IBM Quantum Nighthawk r2 每秒处理速度最高可达 10 万个样本，能支持超过 7500 种量子应用的精确计算。

架构、互连和连接方式上，IBM Quantum Nighthawk r3 与上一代产品保持一致。

最新 Nighthawk 项目发布之前，IBM、AMD 和橡树岭国家实验室（ORNL）量子科学中心刚宣布推出一个量子纠错协同设计平台，把量子计算和高性能计算结合在一起。据 IBM 介绍，首个部署方案会将 IBM 的量子计算机与 120 量子比特的 IBM Quantum Nighthawk 处理器，以及 ORNL 配备

有了这套系统，研究人员可以评估高性能计算与量子计算融合的效果，进而推动纠错研究。

微软正在加快搭建自己的量子计算堆栈，目标是 2029 年推出 Starling 系统。对手们也没有闲着：Quantinuum 在开发涵盖硬件和软件的完整集成量子堆栈；英特尔收购了 Classiq，想提供完整的堆栈方案；IonQ 等纯量子计算公司同样在积极扩张。

IBM 今天宣布，其下一代处理器 IBM Quantum Nighthawk r3 将能够精确执行 520 个

IBM 计划在 2027 年将两个 Nighthawk r3 处理器连接成一个拥有超过 1000 个量子比特的单一系统。

量子计算要真正走向产业应用，计算质量和速度缺一不可。速度尤其关键——量子计算机是以样本形式给出答案的，量子电路每运行一次就返回一个结果。应用场景越来越要求在约100个甚至更多量子比特上执行数千次量子操作，由此产生数百万到数十亿个样本。规模和质量决定了计算能有多复杂，而速度则决定这些高要求负载能否在合理时间和合理成本内跑完。

IBM 研究院院长、IBM 院士杰伊·甘贝塔表示，量子计算能不能真正落地，取决于结果交付得够不够快、够不够准，这两方面缺一不可。他说，Nighthawk 已经证明了这一点；等这套架构扩展到规模更大、算力更强的量子计算机上，量子计算的水平会再上一个台阶，原因在于届时它与经典资源的结合会更紧密，也会更接近容错。

9月发布的IBM Quantum Nighthawk r2，每秒最高可输出10万个样本，并能在120个量子比特上支持超过7500种量子运算，保证计算精度。它采用的快速量子比特重置技术大幅压缩了电路执行之间的等待时间，应用因此能更高效地攒够复杂计算所需的数百万乃至数十亿个样本。

E.ON、Algorithmiq和Q-CTRL等客户与合作伙伴到目前为止已在Nighthawk r2上执行了340亿个电路，报告的性能提升达到19倍，同时科学计算所需的质量并未打折。

这些成果已经在不同行业体现出价值。E.ON称，在用于能源网优化的量子机器学习项目中，Nighthawk r2的运行速度提升了15倍。IBM自己也用Nighthawk r2把与橡树岭国家实验室合作的一项实验提速了12倍，该实验模拟真实磁性材料，产出的结果与中子散射实验数据吻合。这两项加速都是相对此前在IBM Quantum Heron上的运行而言。Quantum Elements和ParityQC等合作伙伴同样报告，用Nighthawk r2跑工作负载时性能有明显提升。

IBM及合作伙伴7月发布的量子优势实验，最初跑在IBM Quantum Heron上，其电路和结果已通过社区主导的Quantum Advantage Tracker平台公开，供独立测试。其中一项用Algorithmiq模拟异构量子材料的实验，现已迁移到Nighthawk r2，借助其速度和连接性，电路执行速度比Heron上的原始实验快8倍。与此同时，经典计算机模拟这些新电路的难度大幅上升——采用领先的经典张量网络方法，估计需要240倍的内存才能达到相近精度。

Nighthawk r3延续了Nighthawk r2展现出的性能，把同一套高速架构推向更大规模的量子计算机。这款新处理器设计目标是在520个可编程量子比特上执行10,000次量子运算，物理量子比特总数为2,034个。它保留了r2的方形晶格连接和快速运算能力，同时新增10个芯片间互连（即l型耦合器），用来把处理器串成更大的系统。

围绕这种模块化思路，IBM已经展示了两项关键技术。今年，IBM用四个L型耦合器连接Nighthawk r1处理器，量子态传输保真度达到99.3%，正朝99.9%的目标推进。另外，IBM首次把两个低温模块集成进单个系统，不到五天就达到工作温度，并将温度降到15毫开尔文以下。

这些进展合在一起，说明模块化方面取得了关键突破，也让外界对IBM把Nighthawk扩展到更大规模量子计算机更有信心。按照计划，IBM将在2027年把两个Nighthawk r3处理器连成一个1040量子比特的单一系统，从而把高性能架构推向更大规模、更复杂的计算任务。

量子计算机要往前走，就得持续优化它与经典计算配合处理错误的方式。面向工业场景的工作负载，离不开多层量子纠错、误差缓解技术，还需要噪声学习和后处理。量子工作负载规模一大，占用的经典资源随之增加，现在的难题在于怎样把这种集成以最优方式扩展出去。

为了把这几套范式拢到一起，IBM 量子平台将高性能计算 (HPC) 经典计算与量子计算放进同一个管理环境。用户眼下能把量子工作流程直接接上各类经典计算资源——笔记本也好，大型超级计算机也好——也能使用平台上新提供的 HPC 和经典计算资源。这类集成已经带来让人受鼓舞的结果。比如在新环境下，IBM 和 RIKEN* 的科学家执行原有的基于样本的量子对角化 (SQD) 工作流程，速度约为原始研究的 5 倍，计算量同时增加了 100 倍。克利夫兰诊所和 RIKEN 也借助该平台自动处理了 6.08 亿个用于构建生物相关结构的样本，比没用工作流程自动化时快 33 倍。

这些增强的功能还会推动量子纠错领域取得突破。IBM 量子平台具备脉冲级能力，研究人员因此能精确控制量子和经典架构中错误检测、理解与纠正的方式。操作时间更好把控，量子比特重置更快，从量子测量中也能提取更多信息——研究人员得以从最基础的层面改进纠错机制。

IBM 近日还与橡树岭国家实验室、AMD 合作推出一个新的量子纠错协同设计平台。该平台把 Nighthawk 与 ORNL 的 Umbra 高性能计算 (HPC) 系统物理地放在一起，由 AMD Instinct™ MI355X GPU 和第五代 AMD EPYC™ CPU 提供支持。