IBM Nighthawk r2 ने 1 लाख क्वांटम सर्किट रन प्रति सेकंड कैसे हासिल किए

IBM का Nighthawk r2 प्रोसेसर, जो IBM Quantum Platform पर ibm_phoenix नाम से उपलब्ध है, सुपरकंडक्टिंग क्वांटम कंप्यूटिंग की एक व्यावहारिक रुकावट को निशाना बनाता है: हर सर्किट रन के बाद क्यूबिट के साफ शुरुआती अवस्था में लौटने का इंतजार।

IBM ने अधिक प्रोग्रामेबल क्यूबिट जोड़ने के बजाय अपने 120-क्यूबिट प्रोसेसर में ऐसा हार्डवेयर लगाया है जो प्रत्येक क्यूबिट को सक्रिय रूप से रीसेट करता है। कंपनी के अनुसार, इससे अधिकतम सर्किट थ्रूपुट 100,000 रन प्रति सेकंड से ऊपर पहुंचता है—उसके Heron बेड़े से लगभग 25 गुना अधिक। 117

असली अड़चन: गेट की गति नहीं, क्यूबिट रीसेट

क्वांटम प्रोग्रामों में किसी सर्किट को बार-बार चलाना पड़ता है। इन दोहराए गए रन को अक्सर शॉट्स कहा जाता है और इनसे माप की संभावनाओं तथा भौतिक राशियों का अनुमान लगाया जाता है। एक रन के बाद सुपरकंडक्टिंग क्यूबिट उत्तेजित अवस्था में रह सकता है। यदि सिस्टम उसके स्वाभाविक रूप से ऊर्जा गंवाकर वापस आने का इंतजार करे, तो अगला रन शुरू होने से पहले का यही समय सबसे बड़ा विलंब बन सकता है।

IBM के अनुसार, पहले डिफॉल्ट रिपीटेशन डिले 250 माइक्रोसेकंड था। Nighthawk r2 पर यह 1 माइक्रोसेकंड है। इसलिए 25 गुना बढ़त का मुख्य कारण किसी एक क्वांटम गेट का 25 गुना तेज होना नहीं, बल्कि सर्किट रन के बीच का निष्क्रिय इंतजार हटना है। 17

यही अंतर समझना जरूरी है: सर्किट थ्रूपुट बताता है कि कोई सिस्टम कितनी तेजी से सर्किट दोहरा कर सांख्यिकीय नतीजे इकट्ठा कर सकता है। 25 गुना थ्रूपुट का अर्थ यह नहीं कि हर एल्गोरिदम 25 गुना तेज हो जाएगा या सामान्य उपयोग के लिए क्वांटम लाभ सिद्ध हो गया है।

डिसिपेटिव रीसेट क्या करता है?

Nighthawk r2 में IBM ने कंडीशनल रीसेट और निष्क्रिय इंतजार की जगह हर प्रोग्रामेबल क्यूबिट के लिए एक समर्पित डिसिपेटिव रीसेट गैजेट लगाया है। हाई-डायनेमिक-रेंज ट्यूनेबल कपलर क्यूबिट को अस्थायी रूप से एक ठंडे वातावरण से जोड़ता है, जो उसकी उत्तेजना की ऊर्जा खींचकर उसे जरूरत पड़ने पर ग्राउंड स्टेट में लौटा देता है। 14

IBM का कहना है कि रीसेट निष्क्रिय होने पर माध्य प्रभावी रिलैक्सेशन समय, या T1, लगभग 200 माइक्रोसेकंड है; रीसेट सक्रिय करने पर यह लगभग 25 नैनोसेकंड तक आ जाता है। सर्किट रन के बीच वास्तविक सिस्टम-स्तरीय अंतर लगभग 1 माइक्रोसेकंड है, जिसमें नियंत्रण, मापन और अन्य ओवरहेड भी शामिल हैं। 317

सीधे शब्दों में कहें तो IBM ने क्यूबिट रीसेट को प्रतीक्षा की अवधि से बदलकर सक्रिय हार्डवेयर ऑपरेशन बना दिया है।

120-क्यूबिट चिप में क्या है?

Nighthawk r2 में 120 प्रोग्रामेबल सुपरकंडक्टिंग क्यूबिट हैं। इनके साथ 218 क्यूबिट-से-क्यूबिट कपलर और 120 स्वतंत्र रीसेट एलिमेंट हैं—हर प्रोग्रामेबल क्यूबिट के लिए एक। इस तरह कुल 458 भौतिक क्वांटम एलिमेंट होते हैं। 1112

IBM के मुताबिक, प्रति-क्यूबिट रीसेट डिजाइन के तीन अहम दावे हैं:

• स्वतंत्र रीसेट: एक क्यूबिट को रीसेट करने के लिए बाकी सभी क्यूबिट को उसी प्रक्रिया से नहीं गुजरना पड़ता।
• बेहतर इनिशियलाइजेशन: कंपनी ने इनिशियलाइजेशन त्रुटि में करीब 25 गुना कमी का दावा किया है।
• गेट गुणवत्ता बरकरार: IBM के अनुसार, लेयर्ड गेट एरर करीब 3 × 10⁻³ है, जो Heron सिस्टमों के स्तर के बराबर है; साथ ही रीसेट सक्रिय होने पर पड़ोसी कंप्यूटेशनल क्यूबिट प्रभावित नहीं होते। 315

ये IBM द्वारा बताए गए प्रदर्शन परिणाम हैं। वे दिखाते हैं कि तेज रीसेट कंपनी के बताए गेट-गुणवत्ता स्तर के साथ चल सकता है, लेकिन यह फॉल्ट टॉलरेंस का स्वतंत्र प्रदर्शन नहीं है।

किस तरह के काम में यह सबसे अधिक फर्क डालेगा?

सबसे बड़ा लाभ उन वर्कलोड में होना चाहिए जहां बार-बार सर्किट चलाना, माप लेना या डायनेमिक नियंत्रण कुल समय का बड़ा हिस्सा हो। किसी ऑब्जर्वेबल का अनुमान लगाने के लिए यदि किसी सर्किट को हजारों या लाखों बार चलाना हो, तो रन के बाद का इंतजार हटने से नतीजा मिलने का समय काफी घट सकता है।

IBM ने 7,500 से अधिक गेट वाले सर्किटों पर सटीक ऑब्जर्वेबल अनुमान की रिपोर्ट दी है। कंपनी ने न्यूट्रॉन-स्कैटरिंग सिमुलेशन में 12 गुना गति वृद्धि का भी दावा किया, जिसमें प्रयोगशाला डेटा के अनुरूप स्पेक्ट्रा करीब 60 सेकंड में तैयार हुए। ये नतीजे दिखाते हैं कि अधिक थ्रूपुट किसी खास वर्कलोड का समय घटा सकता है, लेकिन इन्हें हर एप्लिकेशन के लिए 12 गुना या 25 गुना गति बढ़ने का दावा नहीं माना जाना चाहिए। 20

मिड-सर्किट रीसेट त्रुटि-सुधार के लिए क्यों अहम है?

तेज रीसेट केवल दो सर्किट रन के बीच उपयोगी नहीं है; सर्किट के दौरान भी इसका महत्व है। क्वांटम त्रुटि-सुधार योजनाएं डेटा क्यूबिट में त्रुटियां पहचानने के लिए सहायक क्यूबिटों—जिन्हें चेक या सिंड्रोम क्यूबिट कहा जाता है—को बार-बार मापती हैं। अगले मापन चक्र से पहले इन सहायक क्यूबिटों को रीसेट करना पड़ता है।

मिड-सर्किट मापन और रीसेट से एक सहायक क्यूबिट को मापकर फिर से तैयार किया जा सकता है और दोबारा उपयोग किया जा सकता है, बजाय उसके निष्क्रिय रिलैक्सेशन का इंतजार करने के। यह डायनेमिक सर्किटों को समर्थन देता है और बार-बार होने वाले त्रुटि-जांच चक्रों का समय-ओवरहेड घटाता है। IBM, Nighthawk r2 के स्वतंत्र हाई-स्पीड रीसेट और डायनेमिक-सर्किट समर्थन को क्वांटम त्रुटि-सुधार शोध के उपयोगी औजारों के रूप में पेश करता है। 1719

फिर भी, इससे Nighthawk r2 फॉल्ट-टॉलरेंट मशीन नहीं बन जाता। यह उन प्रयोगों के लिए एक सक्षमकारी हार्डवेयर क्षमता है जिनकी त्रुटि-सुधारित क्वांटम सिस्टमों को जरूरत होगी।

क्यूबिट गिनती से उपयोगी थ्रूपुट की ओर रुख

Nighthawk r2 में प्रोग्रामेबल क्यूबिटों की संख्या 120 ही है, लेकिन इसका जोर गति, कनेक्टिविटी, इनिशियलाइजेशन गुणवत्ता और गेट प्रदर्शन पर है। Nighthawk आर्किटेक्चर में स्क्वेयर लैटिस है, जहां हर क्यूबिट के चार तक कनेक्शन हो सकते हैं। IBM के पुराने heavy-hex लेआउट में एक क्यूबिट के अधिकतम तीन पड़ोसी कनेक्शन होते थे। IBM इस परिवार को बड़े पैमाने की फॉल्ट टॉलरेंस से पहले क्वांटम लाभ को खोजने और बढ़ाने के मंच के रूप में देखता है। 22

यह रुख महत्वपूर्ण है, क्योंकि सिर्फ क्यूबिटों की संख्या किसी मशीन की उपयोगिता तय नहीं करती। उपयोगी वर्कलोड के लिए सटीक ऑपरेशन, असरदार कनेक्टिविटी, विश्वसनीय शुरुआती अवस्था और व्यावहारिक समय में नतीजे जुटाने लायक थ्रूपुट भी चाहिए।

IBM के रोडमैप में Phoenix की जगह

IBM, Nighthawk r2 को फॉल्ट-टॉलरेंट कंप्यूटर के रूप में पेश नहीं करता। यह निकट अवधि के उच्च-थ्रूपुट क्वांटम वर्कलोड और त्रुटि-सुधार से जुड़ी डायनेमिक-कंट्रोल तकनीकों के परीक्षण का प्रोसेसर है।

IBM ने पांच वर्षों में क्वांटम कंप्यूटिंग पर 10 अरब डॉलर से अधिक निवेश की प्रतिबद्धता जताई है। इसमें अनुसंधान एवं विकास, पूंजी खर्च, विनिर्माण विस्तार, इकोसिस्टम साझेदारियां और अधिग्रहण शामिल हैं। उसके रोडमैप में 2029 के लिए IBM Quantum Starling का लक्ष्य है; IBM के अनुसार, यह एक मॉड्यूलर, त्रुटि-सुधारित सिस्टम होगा जो 200 लॉजिकल क्यूबिट पर 10 करोड़ गेट वाले सर्किट चला सकेगा। 2924

Nighthawk r2 का मुख्य संदेश इसलिए साफ है: क्वांटम हार्डवेयर की प्रगति केवल चिप पर अधिक क्यूबिट भरने का नाम नहीं है। IBM की बताई 25 गुना बढ़त रन के बीच की निष्क्रिय अवधि हटाने से आती है—जिससे आज के 120-क्यूबिट हार्डवेयर का उपयोग अधिक व्यावहारिक हो सकता है और भविष्य के त्रुटि-सुधारित सिस्टमों के लिए जरूरी तेज मापन-और-रीसेट चक्रों का अनुभव भी बनता है। 117