IBM Nighthawk r2 zrychluje kvantové výpočty resetováním qubitů

IBM u procesoru Nighthawk r2 nevsadilo především na více qubitů ani na 25krát rychlejší kvantová hradla. Zaměřilo se na méně nápadné, ale pro opakované úlohy zásadní úzké hrdlo: dobu, po kterou je nutné po dokončení obvodu čekat, než se qubity vrátí do známého výchozího stavu.

Díky samostatnému vysokorychlostnímu resetu u každého z 120 programovatelných qubitů má systém ibm_phoenix podle IBM dosáhnout více než 100 000 maximálních provedení obvodů za sekundu. To představuje až 25násobnou propustnost proti flotile Heron při srovnatelné věrnosti operací. 16

Zásadní změna: aktivní reset každého qubitu

Před novým během musí kvantový obvod začínat v definovaném stavu, obvykle zapisovaném jako (|0\rangle). Pokud qubit po předchozím běhu zůstává excitovaný, procesor musí vyčkat na jeho přirozenou relaxaci, případně jej resetovat jiným postupem. U úloh s velkým množstvím krátkých obvodů nebo opakovaných měření („shots“) může právě toto čekání tvořit podstatnou část celkové doby výpočtu.

Nighthawk r2 proto ke každému programovatelnému qubitu přidává samostatný prvek pro disipativní reset. IBM tento mechanismus popisuje jako aktivní ochlazení qubitu zpět do základního stavu. Podle dostupného popisu jde o vazební prvek s velkým dynamickým rozsahem, který může na vyžádání odvést energii z programovatelného qubitu. Efektivní relaxační doba se při aktivním resetu má zkrátit zhruba z 200 mikrosekund na přibližně 25 nanosekund. 36

Na úrovni celého systému to znamená výrazně kratší mezeru mezi dvěma provedeními obvodu. IBM snížilo výchozí opakovací prodlevu z 250 µs na 1 µs. 1

Co znamená údaj „25ד: Jde o propustnost při spouštění obvodů, která je zvlášť důležitá tam, kde reset a prodleva mezi opakováními tvoří velkou část runtime. Neznamená to, že každé kvantové hradlo pracuje 25krát rychleji.

Co je přímo na čipu

Nighthawk r2 je procesor se 120 programovatelnými qubity uspořádanými do čtvercové mřížky. Každý qubit může být propojen až se čtyřmi sousedy. Fyzickou architekturu tvoří:

• 120 programovatelných qubitů, na nichž se provádějí kvantové operace;
• 218 specializovaných vazebních prvků (couplerů) pro propojení qubitů a dvouqubitové operace;
• 120 nezávislých resetovacích prvků, vždy jeden pro každý programovatelný qubit.

Celkem jde o 458 fyzických kvantových prvků. Resetovací prvky ale nejsou dalšími výpočetními qubity — slouží jako podpůrný hardware pro jejich inicializaci. 1218

Tento návrh ukazuje, proč už samotný počet qubitů nevystihuje užitečnost kvantového procesoru. Stejně důležité jsou konektivita, přesnost operací, řízení, inicializace a tempo, jakým zařízení zvládne opakované pracovní úlohy dokončovat.

Nestačí resetovat rychle, je nutné resetovat spolehlivě

Rychlý reset by měl omezený přínos, kdyby qubit zanechal ve špatně připraveném stavu nebo rušil okolní operace. IBM uvádí, že aktivní reset Nighthawku r2 snižuje chybu inicializace zhruba 25krát a současně zachovává věrnost hradel na úrovni Heronu. Mechanismus má navíc fungovat bez podstatného narušení sousedních qubitů. 6

To je důležité, protože inicializace je součástí celkového chybového rozpočtu výpočtu. Rychlejší experiment, který ale začíná z méně spolehlivého stavu, nemusí přinést lepší výsledek. Tvrzení IBM tedy zní, že Nighthawk r2 zkracuje dobu obrátky mezi běhy, aniž by slevil ze standardu kvality hradel Heronu. 16

Proč mohou být obvody za sekundu cennější než vyšší počet qubitů

Propustnost obvodů je klíčová zejména pro úlohy vyžadující mnoho opakování: vzorkování, odhady pozorovatelných veličin, kalibrace, variační metody a další experimenty, které statisticky vyhodnocují velké množství měření. Dlouhé čekání na reset zde může nechat procesor nečinný po významnou část experimentu.

IBM uvádí, že Nighthawk r2 již prokázal přesný odhad pozorovatelných veličin v obvodech obsahujících více než 7 500 hradel. Tento výsledek vypovídá o zvládnuté hloubce obvodů, zatímco hodnota přes 100 000 obvodů za sekundu je metrikou propustnosti. Společně mají ukázat schopnost zařízení pracovat jak se složitějšími obvody, tak s rychlým opakováním běhů. 6

Je důležité tyto dvě věci nezaměňovat. Vysoký maximální počet obvodů za sekundu sám o sobě nedokazuje, že počítač spolehlivě spustí libovolně dlouhý či složitý algoritmus. A naopak demonstrace hlubokého obvodu sama neříká, jak rychle zařízení dodá velké množství opakovaných výsledků. Nighthawk r2 má zlepšit obě dimenze, přestože počet programovatelných qubitů zůstává na 120. 617

Reset uprostřed obvodu a výzkum korekce chyb

Reset je k dispozici i v dynamických pracovních postupech přímo uprostřed obvodu. Qubit tak lze během jednoho většího výpočtu změřit, resetovat a znovu použít — místo aby po měření zůstal nevyužitelný.

To je zvlášť relevantní pro experimenty s kvantovou korekcí chyb. Pomocné qubity zde mohou být opakovaně měřeny a obnovovány, zatímco kontrolují datové qubity. Rychlý, nezávislý reset může zkrátit režii takových cyklů a lépe přizpůsobit hardware zkoumání těchto protokolů. IBM Nighthawk označuje za platformu pro škálování úloh před příchodem rozsáhlých chybově tolerantních kvantových počítačů. 618

Kam Nighthawk r2 zapadá v plánu IBM

Nighthawk r2 je na IBM Quantum Platform k dispozici pod označením ibm_phoenix pro způsobilé tarify. IBM jej prezentuje jako krok k vyššímu objemu užitečné práce při nezměněné kapacitě 120 qubitů: důraz klade na kombinaci velikosti, kvality a rychlosti, nikoli jen na růst počtu qubitů. 117

Nejde ale o chybově tolerantní kvantový počítač. IBM plánuje systém Starling na rok 2029 a popisuje jej jako modulární architekturu s korekcí chyb, která má zvládnout 100 milionů hradel na 200 logických qubitech. Jde o cíl zveřejněného plánu, nikoli o schopnost, kterou by Nighthawk r2 nabízel dnes. 1729

Shrnutí

Hlavní zrychlení Nighthawku r2 plyne z odstranění velké části nečinného času mezi běhy obvodů. IBM spojilo každý programovatelný qubit s vlastním hardwarem pro disipativní reset a uvádí, že tím zkrátilo výchozí opakovací prodlevu na 1 µs a dosáhlo více než 100 000 provedení obvodů za sekundu. 16

V praxi tedy nejde o tvrzení „kvantová hradla jsou 25krát rychlejší“. Přínosem má být rychlejší sběr velkého množství opakovaných výsledků při zachování srovnatelné věrnosti hradel — zejména pro úlohy náročné na počet měření, dynamické obvody a výzkum korekce kvantových chyb. 16