כך IBM Nighthawk r2 מגיע ליותר מ־100 אלף מעגלים קוונטיים בשנייה

הקפיצה בתפוקת המעגלים של Nighthawk r2 נובעת מטיפול בצוואר בקבוק פשוט אך מהותי: הזמן שבו צריך להמתין לקיוביטים שיחזרו למצב ההתחלתי שלהם לפני הרצה נוספת. במקום רק להוסיף קיוביטים ניתנים לתכנות או להאיץ כל שער קוונטי, IBM הוסיפה יכולת איפוס מהירה ועצמאית לכל קיוביט. לפי החברה, התוצאה היא יותר מ־100 אלף מעגלים בשנייה לכל היותר ב־ibm_phoenix — עד פי 25 מהתפוקה של משפחת Heron. 16

השינוי המרכזי: איפוס פעיל לכל קיוביט

מחשב קוונטי צריך להתחיל הרצה חדשה ממצב ידוע, בדרך כלל (|0\rangle). אם קיוביט נותר במצב מעורר לאחר הרצה קודמת, המערכת חייבת להמתין שיירגע באופן טבעי או לאפס אותו בשיטה אחרת. בעומסי עבודה הכוללים מעגלים קצרים רבים או מספר רב של חזרות מדידה, זמן ההמתנה הזה עלול להיות רכיב מרכזי במשך החישוב.

ב־Nighthawk r2 הותקן רכיב איפוס דיסיפטיבי עצמאי לכל אחד מ־120 הקיוביטים הניתנים לתכנות. IBM מתארת את המנגנון כקירור פעיל של הקיוביט בחזרה למצב היסוד שלו; דיווחים על המכשיר מתארים מצמד בעל טווח דינמי גבוה, שמושך אנרגיה מהקיוביט לפי דרישה. זמן ההרפיה האפקטיבי המדווח יורד מכ־200 מיקרו־שניות לכ־25 ננו־שניות כאשר האיפוס פעיל. 36

ברמת המערכת, משמעות הדבר היא קיצור חד של ההפסקה בין הרצות מעגלים. IBM הורידה את השהיית החזרה ברירת המחדל מ־250 מיקרו־שניות למיקרו־שנייה אחת בלבד, כך שההרצה הבאה יכולה להתחיל מוקדם בהרבה. 1

מה אומר הנתון פי 25? זהו מדד של תפוקת ביצוע מעגלים, ולכן הוא משמעותי במיוחד כשאיפוס והשהיית חזרה הם חלק ניכר מזמן הריצה הכולל. אין פירושו שכל שער קוונטי פועל מהר פי 25.

מה כולל המעבד?

Nighthawk r2 הוא מעבד עם 120 קיוביטים ניתנים לתכנות, בפריסת רשת ריבועית שבה כל קיוביט מחובר לעד ארבעה שכנים. רכיביו הפיזיים כוללים:

• 120 קיוביטים ניתנים לתכנות, המבצעים את הפעולות הקוונטיות;
• 218 מצמדים ייעודיים, המספקים קישוריות לפעולות בין שני קיוביטים;
• 120 רכיבי איפוס עצמאיים, אחד לכל קיוביט ניתן לתכנות.

בסך הכול מדובר ב־458 רכיבים קוונטיים פיזיים. רכיבי האיפוס הם חומרת עזר, ולא קיוביטים חישוביים נוספים. 1218

העיצוב הזה משקף פשרה הנעשית חשובה יותר בהנדסה קוונטית: אפשר לשפר את כמות העבודה השימושית לא רק באמצעות הגדלת מספר הקיוביטים, אלא גם דרך קישוריות, נאמנות, בקרה, אתחול וקצב השלמתן של משימות חוזרות.

למה איכות האיפוס חשובה לא פחות מהמהירות

איפוס מהיר היה מועיל פחות אם היה מותיר את הקיוביטים במצב התחלתי לא אמין, או מפריע לפעולות סמוכות. IBM מסרה שהאיפוס הפעיל ב־Nighthawk r2 מפחית את שגיאת האתחול בכפי 25, תוך שמירה על נאמנות שערים ברמת Heron. לדבריה, מנגנון האיפוס מתוכנן לפעול בלי להפריע באופן מהותי לקיוביטים שכנים. 6

הנקודה חשובה משום שהאתחול הוא חלק מתקציב השגיאות הכולל של החישוב. ניסוי מהיר יותר שמתחיל ממצב פחות אמין אינו בהכרח ניסוי טוב יותר. הטענה של IBM היא ש־Nighthawk r2 משפר את זמן המחזור, בלי לוותר על קו הבסיס של איכות השערים ב־Heron. 16

מדוע יותר מעגלים בשנייה עשויים להיות חשובים יותר מעוד קיוביטים

תפוקת מעגלים חשובה במיוחד במשימות המחייבות הרצות חוזרות: דגימה, אמידת גדלים נצפים, כיול, שיטות וריאציוניות וניסויים אחרים שאוספים סטטיסטיקה מהרבה מדידות חוזרות. במקרים כאלה, המתנה ארוכה לאיפוס יכולה להשאיר את המעבד במצב סרק לאורך חלק ניכר מהניסוי.

IBM מדווחת ש־Nighthawk r2 כבר הדגים אמידה מדויקת של גדלים נצפים במעגלים הכוללים יותר מ־7,500 שערים. זהו מדד לעומק המעגל, בעוד שהנתון של יותר מ־100 אלף מעגלים בשנייה הוא מדד תפוקה; יחד, הם אמורים להמחיש יכולת הן במורכבות המשימה והן בקצב הביצוע. 6

חשוב להבחין בין שני המדדים: מספר גבוה של מעגלים בשנייה אינו מוכיח לבדו שמכונה יכולה לבצע באופן אמין אלגוריתמים ארוכים או מורכבים באופן שרירותי. באותה מידה, הדגמה של מעגל עמוק אינה מתארת לבדה כמה מהר המכשיר יכול להפיק תוצאות חוזרות. Nighthawk r2 נועד לשפר את שני הממדים בלי להגדיל את מספר הקיוביטים הניתנים לתכנות מעבר ל־120. 617

איפוס באמצע מעגל ומחקר תיקון שגיאות

יכולת האיפוס זמינה גם בתהליכים דינמיים באמצע מעגל. עקרונית, היא מאפשרת למדוד קיוביט, לאפס אותו ולהשתמש בו מחדש במהלך אותו חישוב גדול יותר, במקום להשאיר אותו בלתי זמין לאחר המדידה.

האפשרות הזו רלוונטית במיוחד לניסויים בתיקון שגיאות קוונטי, שבהם ייתכן שיהיה צורך למדוד ולאתחל שוב ושוב קיוביטי עזר בזמן בדיקת קיוביטי נתונים. איפוס מהיר ועצמאי יכול לצמצם את התקורה של המחזורים האלה ולהתאים יותר את החומרה לבחינת פרוטוקולים מסוג זה. IBM מציגה את Nighthawk כפלטפורמה להרחבת עומסי עבודה לקראת מחשוב קוונטי עמיד לשגיאות בהיקף גדול. 618

מקומו של Nighthawk r2 במפת הדרכים של IBM

Nighthawk r2 זמין בפלטפורמת IBM Quantum בשם ibm_phoenix, ללקוחות במסלולים זכאים. IBM מציגה את המעבד כשלב בדרך להפקת עבודה שימושית יותר באותה קיבולת של 120 קיוביטים, עם דגש על שילוב של היקף, איכות ומהירות — ולא על ספירת קיוביטים בלבד. 117

עם זאת, זה עדיין אינו מחשב קוונטי עמיד לשגיאות. מערכת Starling המתוכננת של IBM מיועדת לשנת 2029 ומתוארת כמערכת מודולרית מתוקנת־שגיאות, שנועדה להריץ 100 מיליון שערים על 200 קיוביטים לוגיים. זהו יעד במפת הדרכים, ולא יכולת שמספק Nighthawk r2 כיום. 1729

השורה התחתונה

ההאצה הבולטת של Nighthawk r2 מגיעה מצמצום משמעותי של הזמן המת בין הרצות מעגלים. באמצעות צימוד כל קיוביט ניתן לתכנות לחומרת איפוס דיסיפטיבית עצמאית, IBM אומרת שהיא יכולה לאפס קיוביטים מהר ובאופן מלא יותר, להוריד את השהיית החזרה ברירת המחדל למיקרו־שנייה אחת, ולהגיע ליותר מ־100 אלף הרצות מעגלים בשנייה. 16

מבחינת משתמשי מחשוב קוונטי, המשמעות המעשית אינה ש״שערים קוונטיים מהירים פי 25״. מדובר בפוטנציאל לאסוף תוצאות מהרצות חוזרות בקצב גבוה בהרבה, תוך שמירה על נאמנות שערים דומה — יתרון רלוונטי במיוחד לעומסי עבודה עתירי מדידות, למעגלים דינמיים ולמחקר תיקון שגיאות. 16