IBM Nighthawk r2 når 100.000 kvantekredsløb i sekundet med hurtigere qubit-reset

IBMs Nighthawk r2 øger antallet af kørte kvantekredsløb ved at angribe en meget praktisk flaskehals: tiden, hvor systemet venter på, at qubits vender tilbage til deres grundtilstand, før næste kørsel kan begynde. I stedet for blot at tilføje flere programmerbare qubits har IBM givet hver qubit sin egen højhastighedsfunktion til reset. Ifølge IBM kan ibm_phoenix dermed nå over 100.000 kredsløb i sekundet – op til 25 gange gennemløbet i virksomhedens Heron-flåde. 16

Den afgørende ændring: aktivt reset for hver qubit

Et kvantekredsløb skal typisk starte fra en kendt tilstand, normalt skrevet som (|0\rangle). Hvis en qubit fortsat er exciteret efter den foregående kørsel, må processoren enten vente på, at den naturligt falder til ro, eller nulstille den på en anden måde. Ved opgaver med mange korte kredsløb eller mange gentagelser – ofte kaldet shots – kan denne ventetid fylde en stor del af den samlede køretid.

Nighthawk r2 har et selvstændigt dissipativt reset-element til hver af sine 120 programmerbare qubits. IBM beskriver det som en aktiv nedkøling af qubitten tilbage til grundtilstanden. En beskrivelse af teknologien peger på en kobler med stort dynamisk område, der efter behov kan trække energi ud af den programmerbare qubit. Den rapporterede effektive relaksationstid falder fra omkring 200 mikrosekunder til cirka 25 nanosekunder, når reset er aktivt. 36

På systemniveau har IBM sænket den normale forsinkelse mellem gentagelser fra 250 µs til 1 µs. Det betyder, at næste kørsel kan begynde langt tidligere. 1

Det betyder 25×-tallet: Det er et mål for gennemløbet af kredsløb – særligt relevant, når reset og ventetid udgør en væsentlig del af den samlede kørsel. Det betyder ikke, at alle kvanteporte er blevet 25 gange hurtigere.

Hvad består processoren af?

Nighthawk r2 er en processor med 120 programmerbare qubits i et kvadratisk gitter, hvor hver qubit kan forbindes med op til fire naboer. Hardwaren består af:

• 120 programmerbare qubits, som udfører kvanteoperationerne
• 218 dedikerede koblere, som skaber forbindelserne mellem qubits
• 120 selvstændige reset-elementer, ét til hver programmerbar qubit

Det giver i alt 458 fysiske kvanteelementer. Reset-elementerne er altså ikke ekstra qubits, der kan bruges til beregninger; de er støttehardware til hurtig og kontrolleret initialisering. 1218

Designet illustrerer en vigtig afvejning i kvantehardware: Mere nyttigt beregningsarbejde kommer ikke kun fra et højere qubit-tal, men også fra bedre forbindelser, lavere fejlrate, mere præcis styring, pålidelig initialisering og højere tempo i gentagne arbejdsgange.

Reset skal både være hurtigt og præcist

Et hurtigt reset har begrænset værdi, hvis det efterlader qubits i en upræcis starttilstand eller forstyrrer nærliggende operationer. IBM oplyser, at Nighthawk r2 reducerer initialiseringsfejl med omkring en faktor 25, samtidig med at gate-fideliteten ligger på Heron-niveau. Virksomheden siger også, at reset-mekanismen er udformet til ikke at forstyrre nabobits væsentligt. 6

Det er vigtigt, fordi initialiseringen indgår i hele beregningens fejlbudget. En hurtigere måling eller simulering er ikke nødvendigvis bedre, hvis den starter fra en mindre pålidelig tilstand. IBMs påstand er, at Nighthawk r2 både forkorter tiden mellem kørseler og bevarer Herons kvalitetsniveau for porte. 16

Hvorfor flere kredsløb i sekundet kan være vigtigere end flere qubits

Gennemløb bliver især afgørende i opgaver, der kræver mange gentagelser: sampling, estimering af observerbare størrelser, kalibrering, variationsmetoder og andre eksperimenter, hvor man indsamler statistik over mange shots. Her kan lang ventetid på reset betyde, at processoren er inaktiv i en betydelig del af eksperimentet.

IBM oplyser, at Nighthawk r2 har demonstreret præcis estimering af observerbare størrelser på kredsløb med over 7.500 porte. Det er et mål for kredsløbsdybde, mens tallet på over 100.000 kredsløb pr. sekund er et mål for gennemløb. Sammen skal de vise både kapacitet til komplekse kredsløb og højere udførelsestempo. 6

Skelnen er væsentlig: Et højt maksimal-tal for kredsløb pr. sekund dokumenterer ikke i sig selv, at maskinen pålideligt kan køre vilkårligt lange eller komplekse algoritmer. Omvendt siger en demonstration af dybe kredsløb ikke alene noget om, hvor hurtigt systemet kan levere mange gentagne resultater. Nighthawk r2 er udviklet til at forbedre begge dimensioner uden at løfte antallet af programmerbare qubits over 120. 617

Reset midt i kredsløbet og forskning i fejlkorrektion

Reset-funktionen kan også bruges dynamisk midt i et kredsløb. I princippet gør det det muligt at måle en qubit, nulstille den og genbruge den under samme større beregning, i stedet for at den forbliver utilgængelig efter målingen.

Det er særligt relevant i eksperimenter med kvantefejlkorrektion. Her kan hjælpequbits skulle måles og genopfriskes gentagne gange, mens de kontrollerer dataqubits. Hurtigt, uafhængigt reset kan reducere omkostningen ved disse cyklusser og gøre hardwaren bedre egnet til at afprøve sådanne protokoller. IBM placerer Nighthawk som en platform til at skalere arbejdsbelastninger før egentlige fejltolerante kvantecomputere. 618

Nighthawk r2 i IBMs køreplan

Nighthawk r2 er tilgængelig på IBM Quantum Platform som ibm_phoenix for kunder med relevante abonnementer. IBM fremstiller processoren som et skridt mod mere nyttigt beregningsarbejde ved en fast kapacitet på 120 qubits, med vægt på samspillet mellem skala, kvalitet og hastighed frem for qubit-antallet alene. 117

Det er dog ikke en fejltolerant kvantecomputer. IBMs planlagte Starling-system er målrettet 2029 og beskrives som et modulært, fejlkorrigeret system, der skal kunne køre 100 millioner kvanteporte på 200 logiske qubits. Det er et mål på IBMs køreplan – ikke en funktion, som Nighthawk r2 leverer i dag. 1729

Kort fortalt

Nighthawk r2s markante hastighedsforbedring kommer primært af at fjerne en stor del af dødtiden mellem kredsløbskørsler. Med separat dissipativ reset-hardware til hver programmerbar qubit siger IBM, at processoren kan nulstille qubits hurtigere og mere fuldstændigt, sænke standardforsinkelsen mellem gentagelser til 1 µs og nå over 100.000 kredsløb i sekundet. 16

For brugerne er pointen derfor ikke, at kvanteportene er blevet 25 gange hurtigere. Pointen er muligheden for at indsamle resultater fra gentagne kredsløb betydeligt hurtigere uden at give afkald på sammenlignelig gate-fidelitet – især i opgaver med mange shots, dynamiske kredsløb og fejlkorrektionsforskning. 16