IBM Nighthawk r2:n 25-kertainen nopeutus syntyy kubittien pikapalautuksesta

IBM:n Nighthawk r2 kasvattaa kvanttipiirien läpäisykykyä puuttumalla käytännön pullonkaulaan: kubittien pitää palautua tunnettuun alkutilaan ennen seuraavaa suoritusta. IBM ei siis ensisijaisesti lisännyt ohjelmoitavia kubitteja eikä väitä kaikkien kvanttiporttien nopeutuneen. Sen sijaan jokaiselle kubitille lisättiin oma nopea palautusmekanismi. IBM:n mukaan ibm_phoenix-järjestelmä yltää näin yli 100 000 piirin enimmäissuoritukseen sekunnissa, mikä on enintään 25 kertaa Heron-kaluston läpäisykyky. 16

Ratkaiseva muutos: aktiivinen, kubittikohtainen palautus

Kvanttipiirin uusi ajo tarvitsee yleensä tunnetun alkutilan, jota merkitään (|0\rangle). Jos kubitti on edellisen ajon jäljiltä virittyneessä tilassa, sen on joko annettava rentoutua luonnollisesti tai se on palautettava muulla tavoin. Lyhyitä piirejä tai suuria toistomääriä sisältävissä kuormissa juuri tämä odotusaika voi muodostaa merkittävän osan kokonaisajasta.

Nighthawk r2:ssa jokaisella 120 ohjelmoitavalla kubitilla on oma dissipatiivinen palautuselementti. IBM kuvaa sen jäähdyttävän kubitin aktiivisesti takaisin perustilaansa. Laitetta käsittelevien tietojen mukaan suuren dynaamisen alueen kytkin voi poistaa energiaa ohjelmoitavasta kubitista tarpeen mukaan. Palautuksen ollessa käytössä kubitin tehokas relaksaatioaika putoaa noin 200 mikrosekunnista noin 25 nanosekuntiin. 36

Järjestelmätasolla tämä lyhentää taukoa peräkkäisten piiriajojen välillä. IBM alensi oletustoistoviiveen 250 mikrosekunnista 1 mikrosekuntiin, joten seuraava ajo voidaan aloittaa huomattavasti aiemmin. 1

Mitä 25-kertainen luku tarkoittaa? Se kuvaa piiriajojen läpäisykykyä, ja on erityisen olennainen silloin, kun palautus ja toistoviive muodostavat suuren osan kokonaisajasta. Se ei tarkoita, että jokainen kvanttiportti toimisi 25 kertaa nopeammin.

Mitä prosessori sisältää?

Nighthawk r2 on 120 ohjelmoitavan kubitin prosessori, jonka kubitit on sijoitettu neliöhilaan. Kukin kubitti voi olla yhteydessä enintään neljään naapuriinsa. Fyysisiin osiin kuuluu:

• 120 ohjelmoitavaa kubittia, jotka suorittavat kvanttioperaatiot;
• 218 erillistä kytkintä, jotka tarjoavat yhteydet kahden kubitin operaatioille; sekä
• 120 itsenäistä palautuselementtiä, yksi jokaista ohjelmoitavaa kubittia kohti.

Fyysisiä kvanttielementtejä on siten yhteensä 458. Palautuselementit ovat tukilaitteistoa, eivät ylimääräisiä laskentakubitteja. 1218

Rakenne kuvastaa kvanttilaitteiston suunnittelussa korostuvaa valintaa: hyödyllistä laskentaa voidaan lisätä paitsi kubittimäärää kasvattamalla myös parantamalla kytkeytyvyyttä, tarkkuutta, ohjausta, alustusta ja toistuvien työkuormien suoritusnopeutta.

Palautuksen laadulla on yhtä paljon merkitystä kuin nopeudella

Nopeasta palautuksesta olisi rajallisesti hyötyä, jos se jättäisi kubitin huonosti alustetuksi tai häiritsisi viereisiä operaatioita. IBM kertoo aktiivisen palautuksen pienentävän alustusvirhettä noin 25-kertaisesti koko laitteessa samalla, kun porttien tarkkuus säilyy Heron-tasolla. Yhtiön mukaan palautusmekanismi on suunniteltu niin, ettei se olennaisesti häiritse naapurikubitteja. 6

Tämä on tärkeää, koska alustus on osa koko laskennan virhebudjettia. Nopeampi koe, joka alkaa epäluotettavammasta tilasta, ei välttämättä ole parempi koe. IBM:n väite on, että Nighthawk r2 parantaa kierrosaikaa säilyttäen Heron-laitteiden porttilaatutason. 16

Miksi useampi piiri sekunnissa voi olla tärkeämpää kuin suurempi kubittimäärä?

Piirien läpäisykyky on keskeinen etenkin työkuormissa, jotka edellyttävät paljon toistuvia ajoja: näytteistyksessä, havaittavien suureiden arvioinnissa, kalibroinnissa, varianssimenetelmissä ja muissa tilastollista aineistoa keräävissä kokeissa. Pitkä palautusodotus voi tällöin pitää prosessorin toimettomana suuren osan kokeesta.

IBM kertoo Nighthawk r2:n osoittaneen tarkkaa havaittavien suureiden estimointia yli 7 500 porttia sisältävillä piireillä. Tämä kertoo piirin syvyydestä, kun taas yli 100 000 piiriä sekunnissa on läpäisykykymittari. Yhdessä luvut on tarkoitettu kuvaamaan sekä työkuorman monimutkaisuutta että suoritustahtia. 6

Ero kannattaa pitää mielessä. Suuri enimmäisläpäisykyky ei yksin osoita, että laite suorittaa luotettavasti mielivaltaisen pitkiä tai monimutkaisia algoritmeja. Vastaavasti syvän piirin demonstraatio ei yksin kerro, kuinka nopeasti laite tuottaa toistuvia tuloksia. Nighthawk r2 pyrkii parantamaan molempia ulottuvuuksia ilman, että ohjelmoitavien kubittien määrä kasvaa yli 120:n. 617

Palautus kesken piirin tukee virheenkorjaustutkimusta

Palautus on käytettävissä myös dynaamisissa työnkuluissa kesken kvanttipiirin. Periaatteessa kubitti voidaan siis mitata, palauttaa ja käyttää uudelleen saman suuremman laskennan aikana sen sijaan, että se jäisi mittauksen jälkeen pois käytöstä.

Tämä on erityisen merkityksellistä kvanttivirheenkorjauksen kokeissa. Niissä apukubitteja voidaan joutua mittaamaan ja palauttamaan toistuvasti samalla, kun niillä tarkistetaan datakubittien tilaa. Nopea, itsenäinen palautus voi pienentää näiden syklien kustannusta ja tehdä laitteesta sopivamman tällaisten menetelmien tutkimiseen. IBM kuvaa Nighthawkia alustaksi, jolla työkuormia voidaan skaalata ennen suuren mittakaavan vikasietoista kvanttilaskentaa. 618

Nighthawk r2 IBM:n tiekartalla

Nighthawk r2 on saatavilla IBM Quantum Platformilla nimellä ibm_phoenix siihen oikeutetuissa palvelusopimuksissa. IBM esittää prosessorin askeleena kohti suurempaa hyödyllisen työn määrää kiinteällä 120 kubitin kapasiteetilla: painopiste on kubittimäärän sijasta mittakaavan, laadun ja nopeuden yhdistelmässä. 117

Laite ei kuitenkaan ole vikasietoinen kvanttitietokone. IBM:n suunnittelema Starling-järjestelmä on ajoitettu vuoteen 2029, ja sitä kuvataan virheenkorjatuksi, modulaariseksi järjestelmäksi, jonka tavoitteena on ajaa 100 miljoonaa kvanttiporttia 200 loogisella kubitilla. Kyse on tiekarttatavoitteesta, ei Nighthawk r2:n nykyisestä ominaisuudesta. 1729

Ydinajatus

Nighthawk r2:n näkyvin nopeutus syntyy siitä, että se poistaa suuren osan piiriajojen välisestä joutoajasta. Kun jokaisella ohjelmoitavalla kubitilla on oma dissipatiivinen palautuslaitteistonsa, IBM kertoo voivansa palauttaa kubitit nopeammin ja täydellisemmin, laskea oletustoistoviiveen 1 mikrosekuntiin ja ylittää 100 000 piiriajoa sekunnissa. 16

Käytännön merkitys ei ole, että kvanttiportit olisivat 25 kertaa nopeampia. Kyse on mahdollisuudesta kerätä toistuvien piiriajojen tuloksia huomattavasti nopeammin samalla, kun porttien tarkkuus säilyy vertailukelpoisena. Tämä on erityisen hyödyllistä paljon toistoja vaativissa työkuormissa, dynaamisissa piireissä ja kvanttivirheenkorjauksen tutkimuksessa. 16