IBM量子处理器Nighthawk r2：每秒执行超10万个电路，速度提升25倍

要点概览：

IBM量子Nighthawk r2采用独立高速量子比特重置技术，每秒可执行超过10万个电路，电路吞吐量比IBM量子Heron提升最高25倍。

主动量子比特重置将初始化错误降低约25倍，同时保持Heron级别的门保真度和邻位安全操作。

IBM量子Nighthawk r2集成120个可编程量子比特、218个耦合器和120个重置元件，共计458个物理量子元件。

电路中段重置与动态电路使Nighthawk r2成为量子纠错和容错量子计算研究的强大平台。

Nighthawk r2可在包含7500个以上量子门的电路上交付精确结果，这是IBM量子路线图上2026年的重要里程碑。

从量子优势的首次演示到低温系统全新模块化架构的问世，量子计算领域今年已取得诸多重大进展。IBM量子Nighthawk r2现已登陆IBM量子平台，标志着这一进程的持续推进。

Nighthawk r2是IBM迄今最快的量子处理器。凭借120个可编程量子比特和突破性的高速量子比特重置架构，它每秒可执行超过10万个电路，是当前IBM量子Heron系列电路吞吐量的25倍。此外，该处理器已在包含超过7500个量子门的电路上实现精确的可观测量估计，提前达成IBM量子路线图上的2026年重要里程碑。

正如近期一篇关于量子硬件指标的文章所讨论的，IBM从规模、质量和速度三个基本维度评估量子硬件。Nighthawk r2在保持上一代r1规模的基础上，实现了质量的针对性提升，但其最显著的突破在于速度。下面将深入解析IBM研究人员如何实现这一飞跃。

通过独立高速量子比特重置加速计算

IBM量子Nighthawk r2解决了量子计算领域长期存在的瓶颈：电路执行之间等待量子比特重置所耗费的时间。每个量子电路都从量子比特处于已知状态开始，以量子比特测量结束。在两次执行之间，量子比特必须回到基态，才能开始下一次运行。

在此前几代IBM量子处理器（包括Heron）中，这一过程依赖动态电路驱动的条件重置技术：处理器测量量子比特的状态，若发现其处于|1?态，则施加一个比特翻转门（具体为π脉冲），将其翻回基态。然而，条件重置受测量保真度的限制，无法重置泄漏出计算状态之外的量子比特。为确保完全重置，系统在电路执行之间必须空闲等待数百微秒。

Nighthawk r2以耗散重置组件取代了条件重置和空闲等待。每个可编程量子比特通过一个高动态范围可调耦合器与冷环境相连，可按需将其拉回基态。激活该耦合器后，量子比特的有效T1（衡量量子比特保持能量时长的指标）从约200微秒的中位值骤降至约25纳秒，从而实现显著更快的高质量重置。

关键在于，这种主动量子比特重置不会干扰邻近量子比特，同时将电路运行间隔的空闲时间缩短至最短仅1微秒。由此带来的结果是系统在单位时间内可执行的有效计算量大幅提升。Nighthawk r2每秒可执行10万个电路，比每秒约4000个电路的Heron快25倍。

在实际应用中，这种提升在研究界常见的大规模重复性工作负载中最为明显。针对优势候选电路的早期测试表明，在不损失精度的前提下，运行时间可缩短多达10倍。

要实现这一目标，需要比用户直接编程更多的可控量子元件。Nighthawk r2的120个可编程量子比特由218个专用耦合器和120个独立量子比特重置元件（每个可编程量子比特配备一个）提供支撑，物理量子元件总数达到458个。

从工程角度来看，这些额外的耦合器和重置元件与可编程量子比特几乎无异，使Nighthawk r2成为IBM有史以来投入生产的最复杂量子处理器。

在提速的同时保障质量

当然，即便是最快的量子处理器，若速度的提升是以牺牲有效精确计算所需的保真度为代价，也毫无价值。

Nighthawk r2不仅保持了上一代的质量水准，还引入了一项关键改进：由于新型高速重置功能能够主动将量子比特冷却至基态，整个器件的初始化错误率降低了约25倍。原理很简单——更干净的初始状态意味着更精确的结果。

关键在于，Nighthawk r2在实现上述增益的同时，并未在其他方面有所牺牲。它在以更高速度运行时仍保持Heron级别的门保真度，且对单个量子比特进行重置时不会影响邻近量子比特的性能。

邻位安全量子比特重置对于Nighthawk的方形晶格架构至关重要。在该架构中，大多数量子比特与四个最近邻量子比特相连——相比此前架构的两到三个有所增加——从而在电路设计中实现更高的复杂度与效率。最终呈现的是一款不仅能执行更多量子计算、更能执行更多有效量子计算的处理器。

Nighthawk r2的量子优势及早期成果

Nighthawk r2在速度和质量上的提升已催生出令人振奋的量子计算能力演示成果。

例如，在近期通过可信量子计算实现量子优势的演示之后，研究人员借助Nighthawk r2开展了最初由芝加哥大学与IBM合作开发的掺杂Clifford采样优势实验。

这些实验展示了量子码如何已能在当今量子计算机上执行超越领先经典模拟方法的计算，同时提供计算已被正确执行的可信度。凭借Nighthawk r2相对于Heron处理器更强的连通性，预计将在更广泛的电路和问题类别中看到更多量子优势演示。

此外，Nighthawk r2还展示了在包含7500个量子门的电路上利用概率误差放大（PEA）方法进行精确可观测量估计的能力。这是迈向可靠执行日益复杂量子电路的重要里程碑，也是IBM量子路线图2026年的核心目标之一。

这些进展还进一步延伸至直接探索具体应用的实验。在今年早些时候报道的中子散射模拟中，Nighthawk r2更高的吞吐量带来了12倍的速度提升，可在约60秒内生成能与实验室实测数据直接对比的谱图。

这些结果共同表明，吞吐量和质量方面的进步正在转化为实际的计算能力，推动量子优势的演示、路线图里程碑的达成以及量子应用发现的加速。

专为量子纠错而生

Nighthawk r2的新型重置功能不仅适用于电路之间，也可在电路执行过程中使用。这为动态电路带来了巨大的效率提升。动态电路是一种高级能力，涉及在单次电路执行的运行时间内执行量子比特测量。

许多量子纠错协议和高级量子经典混合工作流都需要动态电路，而对所有可编程量子比特实现可靠的独立重置，使Nighthawk r2成为开展这些领域研究的强大平台。

新型重置功能支持在量子错误检测和量子纠错协议（如时空校验）中重复使用辅助量子比特，为在工作负载中引入逻辑量子比特的实验提供了额外的灵活性。

从某种意义上说，这正是Nighthawk在IBM量子路线图中角色定位的体现。它最初作为探索和拓展量子优势的平台而引入，如今已成为增强容错操作的测试床。

立即运行电路

随着量子硬件的日趋成熟，挑战已不再仅仅是构建更大、更好的处理器，而是最大化研究人员利用现有系统所能实现的成果。凭借120个可编程量子比特和独立高速量子比特重置功能，Nighthawk r2致力于帮助研究人员突破这些局限。

更高的电路吞吐量意味着新款Nighthawk能够在相同的资源分配内运行更多的工作负载。据估计，用户使用Nighthawk r2可获得大幅提升的可用计算容量，从而将更多时间用于探索量子资源所能实现的可能性，而非管理量子资源本身。

全新Nighthawk r2处理器现已在IBM量子平台上线。无论是扩展应用研究规模、探索动态电路的潜力，还是推进最新量子纠错研究，这套新系统都将帮助您更快地完成更多量子计算任务。

归根结底，量子计算机最重要的衡量标准不是量子比特或元件的数量，而是系统能够提供的有效计算量。随着行业向更复杂的工作负载和容错计算演进，持续将硬件创新转化为实际能力至关重要。欢迎前往IBM量子平台，探索IBM量子Nighthawk r2能为您的研究带来哪些可能。

Q&A

Q1：IBM量子Nighthawk r2的电路执行速度为什么能比Heron快25倍？

A：Nighthawk r2引入了独立高速量子比特重置技术，用耗散重置组件替代了此前的条件重置方案。每个量子比特通过可调耦合器与冷环境相连，可按需快速回到基态，将有效T1从约200微秒压缩至约25纳秒，电路间空闲时间缩短至最短仅1微秒。这使系统每秒可执行超过10万个电路，而Heron约为4000个，实现了25倍的吞吐量提升。

Q2：Nighthawk r2的速度提升会不会影响计算质量和精度？

A：不会。Nighthawk r2在提速的同时还改善了计算质量。主动重置将量子比特主动冷却至基态，使初始化错误率降低约25倍，起始状态更干净，结果更精确。同时，它保持了与Heron相当的门保真度，且对单个量子比特重置时不会影响邻近量子比特的性能，整体质量不打折扣。

Q3：Nighthawk r2在量子纠错方面有什么新能力？

A：Nighthawk r2支持在电路执行过程中进行量子比特重置，而不仅限于两次电路之间，这大幅提升了动态电路的效率。所有120个可编程量子比特均可独立重置，支持在量子错误检测和纠错协议（如时空校验）中重复使用辅助量子比特，为逻辑量子比特实验提供了更大的灵活性，是容错量子计算研究的重要平台。