对比中美最大规模的云上量子芯片：性能差距从何而来

光子盒研究院出品

ibm_sherbrooke系统是IBM量子云中的一台量子计算机，目前提供了一个新的127量子比特Eagle处理器，该处理器针对错误缓解进行了优化，这已经是Eagle处理器的第三个版本了。

IBM表示，ibm_sherbrooke是其迄今为止性能最高的系统。性能的提升主要体现在相干时间的改进。相比搭载第一代Eagle的ibm_washington系统，T1相干时间从98.07微秒到sherbrooke的305微秒，T2时间也从93.25微秒提高到170.69微秒。如下图：

虽然IBM已经实现了433量子比特，但127量子比特Eagle仍是IBM可提供客户使用的最大规模的量子处理器。而中国可使用的最大规模的量子处理器是什么呢？不是66比特的祖冲之二号，也不是光子盒前段时间报道的浙大团队121比特，因为这些处理器尚未提供给大众使用。根据光子盒调研，国内最大可云访问的量子处理器是Quafu量子计算云平台的50量子比特ScQ-P50。如下图：

通过对比发现，两款量子处理器的性能存在很大差距。特别是相干时间，ScQ-P50处理器的T1均值8.585微秒，T2均值10.471微秒。Quafu平台的18量子比特处理器拥有更长的T1相干时间，均值为35.492微秒。这实际上是正常的，当一个芯片上的量子比特数目越来越多时，串扰加剧，导致相干时间更短。

但IBM的Eagle r3随着量子比特数目增加，相干时间竟然大幅提升。例如，搭载65量子比特Hummingbird r3的ibm_ithaca系统，T1相干时间中值为191.01微秒，相比Eagle r3少了100多微秒，T2时间大致相当。错误率方面，也是Eagle r3更低，双量子比特门错误率为0.006，而65比特系统为0.009。

IBM是如何实现这些结果的呢？

IBM采用了新的校准策略。此前，他们设计校准程序是为了最大限度地降低错误率，但这是以牺牲稳定性为代价的。但从sherbrooke系统开始，他们正在改变这种情况，强调减少测量泄漏、门稳定性和更一致的门速度。这将有助于消除漂移，并延长需要再次重新校准的时间。有趣的是，这种新的校准策略可能不一定提供最好的量子体积测量，但由于稳定性的增加，仍然是优选的。

随着这一变化，IBM实现了一种不同的双量子比特原生门，称为echoed cross-resonance (ECR)门，以取代以前使用的CNOT双量子比特门。Qiskit转译器已经更新，可以编译任何现有的Qiskit程序来使用ECR门。sherbrooke的拓扑结构如下所示。注意，双量子比特ECR门只是单向的(如下面的连接箭头所示)，而不是双向的。因此，转译器会在编译程序时分配物理量子比特。

从量子电路到ibm_sherbrooke原生门的最有效的单向映射。

对于此次升级，IBM总结道，Eagle处理器的第三次修订使用了提供更高量子比特相干性的新架构。尽管门的长度更长，但增加的相干性使其能够实现比以前更低的门错误。