IBM Nighthawk r2 når 100.000 kvantekredsløb i sekundet ved at fjerne ventetid

IBM Quantum Nighthawk r2, der er tilgængelig som ibm_phoenix, angriber en praktisk flaskehals i superledende kvantecomputere: tiden, der går med at vente på, at qubits vender tilbage til en ren starttilstand efter en kørsel. I stedet for at øge antallet af programmerbare qubits har IBM udstyret sin 120-qubit-processor med hardware, der aktivt nulstiller hver qubit. IBM oplyser, at det løfter den maksimale kapacitet til over 100.000 kredsløbskørsler i sekundet – cirka 25 gange gennemløbet i Heron-flåden. 117

Flaskehalsen er nulstilling – ikke gatehastighed

Kvanteprogrammer skal typisk køre det samme kredsløb mange gange, ofte kaldet shots, for at kunne estimere målesandsynligheder og fysiske størrelser. Efter en kørsel kan en superledende qubit stadig være exciteret. Hvis systemet blot venter på den naturlige afslapning, kan denne ventetid dominere tiden før næste kørsel.

Ifølge IBM var standardforsinkelsen mellem gentagelser tidligere 250 mikrosekunder. På Nighthawk r2 er den 1 mikrosekund. Det er denne ændring – ikke en 25-dobling af hastigheden på de enkelte kvanteoperationer – der hovedsageligt forklarer, hvorfor systemet kan afvikle langt flere kredsløb pr. sekund. 17

Forskellen er væsentlig: kredsløbsgennemløb handler om, hvor hurtigt en opgave kan gentage kørsler og indsamle statistik. Et tal på 25× betyder derfor ikke automatisk, at enhver algoritme bliver 25 gange hurtigere, eller at maskinen har opnået generel kvantefordel.

Sådan virker den dissipative nulstilling

Nighthawk r2 erstatter en nulstillingsmetode baseret på betinget nulstilling og inaktiv ventetid med en særlig dissipativ nulstillingsenhed for hver programmerbar qubit. En tunbar kobler med stort dynamisk område forbinder midlertidigt qubitten med et koldt miljø, som trækker dens excitation væk og bringer den tilbage til grundtilstanden efter behov. 14

IBM oplyser, at den effektive mediane afslapningstid, T1, ændres fra omtrent 200 mikrosekunder, når nulstillingen er inaktiv, til omkring 25 nanosekunder, når den aktiveres. Forsinkelsen mellem kredsløb på systemniveau er cirka 1 mikrosekund, fordi der også skal være plads til styring, måling og anden overhead ud over selve den fysiske nulstilling. 317

Kort sagt har IBM gjort nulstilling til en aktiv hardwareoperation i stedet for en periode, hvor systemet bare venter.

Hvad rummer 120-qubit-processoren?

Nighthawk r2 har 120 programmerbare, superledende qubits. De understøttes af 218 koblere mellem qubits og 120 uafhængige nulstillingselementer – ét til hver programmerbar qubit. Det giver i alt 458 fysiske kvanteelementer. 1112

IBM fremhæver tre centrale egenskaber ved tilgangen med én nulstilling pr. qubit:

• Uafhængig nulstilling: En qubit kan nulstilles uden at tvinge alle øvrige qubits gennem den samme proces.
• Renere initialisering: IBM rapporterer cirka 25 gange lavere initialiseringsfejl.
• Bevaret gatekvalitet: IBM rapporterer lagdelte gatefejl på omtrent 3 × 10⁻³, på niveau med Heron-systemerne, og oplyser, at aktivering af nulstilling ikke forstyrrer nabobaserede beregningsqubits. 315

Det er leverandørrapporterede resultater. De indikerer, at hurtig nulstilling kan kombineres med den gatekvalitet, IBM angiver, men de er ikke en uafhængig demonstration af fejltolerance.

Hvor den hurtige nulstilling kan gøre en praktisk forskel

Den største gevinst ventes i opgaver, hvor gentagne kredsløbskørsler, målinger eller dynamisk styring fylder mest i tidsbudgettet. Skal en opgave køres tusindvis eller millioner af gange for at estimere en størrelse, kan det reducere svartiden mærkbart at fjerne hovedparten af ventetiden efter hver kørsel.

IBM rapporterer præcis estimering af observerbare størrelser på kredsløb med over 7.500 gates. Selskabet rapporterer også en 12-dobling af hastigheden i en simulering af neutronspredning, hvor der blev produceret spektre, der kunne sammenlignes med laboratoriedata, på omkring 60 sekunder. Resultaterne er tegn på, at højere gennemløb kan forkorte en konkret opgave, men de bør ikke læses som et universelt løfte om 12× eller 25× hurtigere applikationer. 20

Hvorfor nulstilling midt i kredsløbet betyder noget for fejlkorrektion

Hurtig nulstilling er ikke kun relevant mellem to kredsløbskørsler. Den er også vigtig under selve et kredsløb. I kvantefejlkorrektion måles hjælpequbits – ofte kaldet kontrol- eller syndromqubits – gentagne gange for at finde fejl, der rammer dataqubits. Derefter skal hjælpequbits nulstilles før næste målecyklus.

Med måling og nulstilling midt i kredsløbet kan en hjælpequbit måles, initialiseres igen og genbruges frem for at vente på passiv afslapning. Det understøtter dynamiske kredsløb og reducerer tidsoverheadet i gentagne fejlcheck-cyklusser. IBM beskriver Nighthawk r2's uafhængige højhastighedsnulstilling og understøttelse af dynamiske kredsløb som værktøjer til forskning i kvantefejlkorrektion. 1719

Det gør dog ikke Nighthawk r2 fejltolerant. Det er en hardwareegenskab, der kan muliggøre forsøg, som bliver nødvendige i fejlkorregerede systemer.

Fra qubitantal til brugbart gennemløb

Nighthawk r2 fastholder det iøjnefaldende tal på 120 programmerbare qubits, men lægger vægten på hastighed, forbindelser, initialiseringskvalitet og gateydelse. Nighthawk-arkitekturen bruger et kvadratisk gitter med op til fire forbindelser pr. qubit, mod den tidligere heavy-hex-arkitekturs op til tre naboforbindelser. IBM positionerer familien som en platform til at udforske og opskalere kvantefordel før fejltolerance i stor skala. 22

Det perspektiv er vigtigt: Antallet af qubits alene afgør ikke, om en maskine kan afvikle nyttige opgaver. Processoren skal også have tilstrækkeligt præcise operationer, effektive forbindelser, pålidelig initialisering og nok gennemløb til at indsamle resultater på en praktisk tid.

Phoenix i IBM's køreplan

IBM præsenterer ikke Nighthawk r2 som en fejltolerant maskine. Den er i stedet en processor på kort sigt til kvanteopgaver med højere gennemløb og til afprøvning af dynamisk styring, der er relevant for fejlkorrektion.

IBM har forpligtet sig til at investere mere end 10 mia. dollar i kvantecomputing over fem år. Investeringen omfatter forskning og udvikling, kapitaludgifter, opskalering af produktion, økosystempartnerskaber og opkøb. Selskabets køreplan sigter mod IBM Quantum Starling i 2029; IBM oplyser, at det planlagte system skal være modulært og fejlkorregeret samt kunne køre kredsløb med 100 millioner gates på 200 logiske qubits. 2924

Hovedpointen med Nighthawk r2 er derfor enkel: Fremskridt i kvantehardware handler ikke kun om at få flere qubits ind på en chip. IBM's rapporterede gevinst på 25× kommer af at fjerne død tid mellem kørsler. Det kan gøre nutidens 120-qubit-hardware mere anvendelig og samtidig opbygge erfaring med de hurtige måle- og nulstillingscyklusser, som fremtidige fejlkorregerede systemer får brug for. 117