IBM Nighthawk r2 एक सेकंड में 1 लाख से अधिक क्वांटम सर्किट कैसे चलाता है

IBM के Nighthawk r2 प्रोसेसर की सुर्खियों वाली गति का आधार अधिक क्यूबिट जोड़ना या हर क्वांटम गेट को 25 गुना तेज़ करना नहीं है। असली बदलाव उस प्रतीक्षा समय को घटाना है जो हर सर्किट रन के बाद क्यूबिट को फिर से शुरुआती अवस्था में लाने में लगता है। IBM के अनुसार, ibm_phoenix पर यह प्रोसेसर अधिकतम 1 लाख से ज्यादा सर्किट प्रति सेकंड चला सकता है—जो उसकी Heron फ्लीट से अधिकतम 25 गुना अधिक थ्रूपुट है। 16

अड़चन कहाँ थी: अगले रन से पहले क्यूबिट को तैयार करना

क्वांटम सर्किट की नई रन आम तौर पर क्यूबिट की ज्ञात शुरुआती अवस्था, (|0\rangle), से शुरू होनी चाहिए। पिछले रन के बाद यदि क्यूबिट उत्तेजित अवस्था में है, तो उसे स्वाभाविक रूप से अपनी ग्राउंड स्टेट में लौटने का इंतजार करना पड़ता है, या उसे किसी रीसेट विधि से वापस लाना होता है।

बहुत अधिक बार दोहराए जाने वाले छोटे सर्किटों या बड़ी संख्या में shots लेने वाले प्रयोगों में यही अंतराल कुल समय का बड़ा हिस्सा बन सकता है। Nighthawk r2 इसी निष्क्रिय समय को कम करने के लिए बनाया गया है।

हर क्यूबिट के लिए अलग सक्रिय रीसेट

Nighthawk r2 में 120 प्रोग्रामेबल क्यूबिट हैं और हर क्यूबिट के साथ एक स्वतंत्र डिसिपेटिव-रीसेट एलिमेंट जोड़ा गया है। IBM इसे क्यूबिट को सक्रिय रूप से उसकी ग्राउंड स्टेट तक “कूल” करने वाली क्षमता बताता है। रिपोर्टों के अनुसार, एक हाई-डायनेमिक-रेंज कपलर जरूरत पड़ने पर क्यूबिट की ऊर्जा निकाल सकता है। 36

इससे सक्रिय रीसेट के दौरान प्रभावी रिलैक्सेशन समय लगभग 200 माइक्रोसेकंड से घटकर 25 नैनोसेकंड रह जाता है। सिस्टम स्तर पर IBM ने डिफॉल्ट रिपीटेशन डिले को 250 µs से घटाकर 1 µs कर दिया है, इसलिए अगला सर्किट रन कहीं जल्दी शुरू हो सकता है। 13

25 गुना का अर्थ समझें: यह सर्किट निष्पादन के थ्रूपुट का माप है, खासकर ऐसे कामों में जहाँ रीसेट और हर रन के बीच का डिले कुल समय का बड़ा भाग होता है। इसका मतलब यह नहीं कि हर क्वांटम गेट 25 गुना तेज़ हो गया है।

चिप में क्या-क्या है?

Nighthawk r2 एक वर्गाकार-लैटिस डिज़ाइन वाला 120-प्रोग्रामेबल-क्यूबिट प्रोसेसर है। इसमें हर क्यूबिट अधिकतम चार पड़ोसी क्यूबिटों से जुड़ सकता है। इसके भौतिक घटक हैं:

• 120 प्रोग्रामेबल क्यूबिट, जो क्वांटम ऑपरेशन करते हैं;
• 218 समर्पित कपलर, जो दो-क्यूबिट कनेक्टिविटी उपलब्ध कराते हैं;
• 120 स्वतंत्र रीसेट एलिमेंट, प्रत्येक प्रोग्रामेबल क्यूबिट के लिए एक।

कुल मिलाकर यह 458 भौतिक क्वांटम एलिमेंट का सिस्टम है। हालांकि, रीसेट एलिमेंट अतिरिक्त कम्प्यूटेशनल क्यूबिट नहीं हैं; वे क्यूबिटों को जल्दी और साफ तरीके से दोबारा इस्तेमाल करने लायक बनाने वाला सहायक हार्डवेयर हैं। 1218

सिर्फ तेज़ नहीं, साफ रीसेट भी जरूरी है

तेज़ रीसेट का फायदा तभी है जब उससे क्यूबिट खराब शुरुआती अवस्था में न रह जाए या पास के क्यूबिटों पर असर न पड़े। IBM का कहना है कि Nighthawk r2 का सक्रिय रीसेट पूरे डिवाइस में इनिशियलाइज़ेशन त्रुटि को लगभग 25 गुना घटाता है, जबकि Heron-स्तर की गेट फिडेलिटी बरकरार रहती है। कंपनी यह भी कहती है कि रीसेट तंत्र पड़ोसी क्यूबिटों को उल्लेखनीय रूप से बाधित किए बिना काम करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। 6

यह महत्वपूर्ण है क्योंकि शुरुआती अवस्था की त्रुटि भी पूरे गणना-त्रुटि बजट का हिस्सा होती है। यदि कोई प्रयोग जल्दी शुरू तो हो, लेकिन क्यूबिट भरोसेमंद शुरुआती अवस्था में न हों, तो केवल गति उपयोगी नहीं होगी। IBM का दावा है कि Nighthawk r2 तेज़ टर्नअराउंड के साथ गुणवत्ता के Heron-स्तर को बनाए रखता है। 16

1 लाख सर्किट प्रति सेकंड किन कामों में मायने रखता है?

सर्किट थ्रूपुट उन कार्यों के लिए विशेष रूप से अहम है जिनमें एक ही सर्किट को बार-बार चलाकर सांख्यिकीय परिणाम जुटाने पड़ते हैं। इनमें सैंपलिंग, ऑब्ज़र्वेबल का अनुमान, कैलिब्रेशन और वेरिएशनल तरीके जैसे प्रयोग शामिल हैं। लंबे रीसेट इंतजार में प्रोसेसर का बड़ा हिस्सा निष्क्रिय रह सकता है।

IBM ने यह भी कहा है कि Nighthawk r2 ने 7,500 से अधिक गेट वाले सर्किटों पर सटीक ऑब्ज़र्वेबल अनुमान प्रदर्शित किया है। यह सर्किट की जटिलता या गहराई से जुड़ा माप है, जबकि 1 लाख से अधिक सर्किट प्रति सेकंड निष्पादन-दर का माप है। दोनों आंकड़े अलग चीजें बताते हैं: एक जटिल सर्किट संभालने की क्षमता, दूसरा दोहराए जाने वाले काम की रफ्तार। 6

फिर भी, इनमें से कोई भी दावा यह नहीं बताता कि मशीन आज ही किसी भी लंबी और मनमाने ढंग से जटिल क्वांटम एल्गोरिद्म को भरोसेमंद तरीके से चला सकती है। Nighthawk r2 का लक्ष्य 120 प्रोग्रामेबल क्यूबिट की क्षमता पर ही उपयोगी काम की मात्रा बढ़ाना है। 617

मिड-सर्किट रीसेट और त्रुटि-सुधार शोध

यह रीसेट सुविधा सर्किट के बीच में भी इस्तेमाल की जा सकती है। सैद्धांतिक रूप से इसका मतलब है कि एक क्यूबिट को मापा जा सकता है, रीसेट किया जा सकता है और उसी बड़े कंप्यूटेशन के दौरान फिर इस्तेमाल किया जा सकता है।

क्वांटम त्रुटि-सुधार के प्रयोगों में यह खास प्रासंगिक है। वहां सहायक क्यूबिटों को डेटा क्यूबिटों की जांच के लिए बार-बार मापना, साफ करना और फिर उपयोग में लाना पड़ सकता है। तेज़, स्वतंत्र रीसेट ऐसे चक्रों का ओवरहेड घटा सकता है और इस तरह के प्रोटोकॉल पर शोध के लिए हार्डवेयर को अधिक उपयुक्त बनाता है। IBM Nighthawk को बड़े पैमाने के फॉल्ट-टॉलरेंट क्वांटम कंप्यूटिंग से पहले वर्कलोड को आगे बढ़ाने और परखने का प्लेटफॉर्म मानता है। 618

IBM के रोडमैप में Nighthawk r2 की जगह

Nighthawk r2 योग्य Premium, Flex और Pay-As-You-Go योजनाओं के लिए IBM Quantum Platform पर ibm_phoenix के रूप में उपलब्ध है। IBM इसे क्यूबिट संख्या बढ़ाने के बजाय समान 120-क्यूबिट क्षमता पर गति, गुणवत्ता और उपयोगी कार्य-थ्रूपुट बढ़ाने की दिशा में कदम के रूप में पेश कर रहा है। 117

यह अभी फॉल्ट-टॉलरेंट क्वांटम कंप्यूटर नहीं है। IBM का प्रस्तावित Starling सिस्टम 2029 के लिए निर्धारित रोडमैप लक्ष्य है। कंपनी के अनुसार, वह त्रुटि-सुधारित मॉड्यूलर सिस्टम होगा, जिसे 200 लॉजिकल क्यूबिट पर 10 करोड़ क्वांटम गेट चलाने के लिए डिजाइन किया गया है। यह Nighthawk r2 की मौजूदा क्षमता नहीं, बल्कि भविष्य का लक्ष्य है। 1729

निष्कर्ष

Nighthawk r2 की बड़ी गति छलांग सर्किटों के बीच के अधिकांश खाली समय को हटाने से आती है। हर प्रोग्रामेबल क्यूबिट के साथ स्वतंत्र डिसिपेटिव रीसेट हार्डवेयर जोड़कर IBM का कहना है कि वह क्यूबिटों को तेज़ और अधिक पूर्ण रूप से शुरुआती अवस्था में ला सकता है, डिफॉल्ट डिले को 1 माइक्रोसेकंड तक घटा सकता है और प्रति सेकंड 1 लाख से अधिक सर्किट चला सकता है। 16

व्यावहारिक संदेश यह है कि “क्वांटम गेट 25 गुना तेज़” नहीं हुए हैं। इसके बजाय, बार-बार चलाए जाने वाले सर्किटों के परिणाम कहीं तेज़ी से जुटाए जा सकते हैं—जो shot-heavy वर्कलोड, डायनेमिक सर्किट और क्वांटम त्रुटि-सुधार अनुसंधान के लिए विशेष रूप से उपयोगी हो सकता है। 16