Come IBM Nighthawk r2 arriva a oltre 100.000 esecuzioni di circuiti al secondo

IBM Quantum Nighthawk r2, distribuito sulla piattaforma IBM come ibm_phoenix, supera le 100.000 esecuzioni di circuiti al secondo. Il punto chiave non è un aumento dei qubit programmabili, che restano 120, né una velocità delle porte quantistiche moltiplicata per 25: è la drastica riduzione del tempo necessario a riportare i qubit in uno stato iniziale pulito dopo ogni esecuzione. IBM indica un throughput circa 25 volte superiore a quello della propria flotta Heron. 117

Il collo di bottiglia era il tempo di attesa

Molti programmi quantistici devono eseguire lo stesso circuito un gran numero di volte, le cosiddette shot, per stimare probabilità e osservabili fisiche. Al termine di un’esecuzione, un qubit superconduttivo può conservare energia e rimanere nello stato eccitato; prima di riutilizzarlo bisogna riportarlo allo stato fondamentale.

In precedenza, il ritardo di ripetizione predefinito era di 250 microsecondi. Con Nighthawk r2 è di 1 microsecondo. È questo taglio dei tempi morti, e non un incremento di 25 volte della velocità delle singole porte, a portare oltre quota 100.000 circuiti al secondo. 17

Il dato va quindi letto correttamente: il throughput dei circuiti misura quanto rapidamente un carico di lavoro può ripetere le esecuzioni e raccogliere statistiche. Non equivale automaticamente a un’accelerazione di 25 volte per ogni algoritmo, né dimostra da solo un vantaggio quantistico generale.

Come funziona il reset dissipativo

Nighthawk r2 sostituisce il reset condizionale e l’attesa passiva con un elemento di reset dissipativo dedicato a ciascun qubit programmabile. Un accoppiatore sintonizzabile ad ampia gamma dinamica collega temporaneamente il qubit a un ambiente freddo, sottraendogli l’eccitazione e riportandolo allo stato fondamentale su richiesta. 14

Secondo IBM, il valore mediano del tempo di rilassamento effettivo, il T1, passa da circa 200 microsecondi con il reset disattivato a circa 25 nanosecondi con il reset attivo. Il ritardo complessivo tra le esecuzioni è invece di circa 1 microsecondo, perché deve includere anche controllo, misurazione e altri costi di sistema. 317

In sostanza, il reset smette di essere un periodo di attesa e diventa un’operazione hardware attiva.

Cosa contiene il processore da 120 qubit

Il chip include 120 qubit superconduttivi programmabili, 218 accoppiatori tra qubit e 120 elementi di reset indipendenti, uno per ogni qubit programmabile: in totale, 458 elementi quantistici fisici. 1112

IBM attribuisce al progetto tre proprietà principali:

• Reset indipendente: ciascun qubit può essere reimpostato senza coinvolgere tutti gli altri.
• Inizializzazione più pulita: IBM riporta una riduzione di circa 25 volte dell’errore di inizializzazione.
• Qualità delle porte preservata: IBM riporta errori di porta stratificati nell’ordine di 3 × 10⁻³, comparabili ai sistemi Heron, e afferma che l’attivazione del reset non disturba i qubit computazionali vicini. 315

Sono risultati dichiarati dal fornitore: indicano che il reset veloce può coesistere con il livello di qualità delle porte indicato da IBM, ma non costituiscono una dimostrazione indipendente di tolleranza agli errori.

Dove il throughput può fare davvero la differenza

Il beneficio maggiore è atteso nei carichi di lavoro in cui misurazioni, esecuzioni ripetute o controllo dinamico pesano molto sul tempo totale. Se per stimare un osservabile occorre eseguire un circuito migliaia o milioni di volte, eliminare quasi tutta l’attesa dopo ogni shot può ridurre sensibilmente il tempo di risposta.

IBM riporta stime accurate di osservabili su circuiti con oltre 7.500 porte. Riporta inoltre un’accelerazione di 12 volte in una simulazione di scattering neutronico, con spettri comparabili ai dati di laboratorio prodotti in circa 60 secondi. Sono segnali utili dell’impatto del throughput su uno specifico carico di lavoro, non una promessa di accelerazione universale di 12 o 25 volte. 20

Perché il reset a metà circuito conta per la correzione degli errori

Il reset rapido è utile anche durante l’esecuzione di un circuito. Nei protocolli di correzione degli errori quantistici, qubit ausiliari — spesso chiamati qubit di controllo o di sindrome — vengono misurati ripetutamente per individuare errori sui qubit che conservano l’informazione.

Dopo la misurazione, questi qubit ausiliari devono essere riportati allo stato iniziale prima del ciclo seguente. Il reset a metà circuito permette di misurarli, reimpostarli e riutilizzarli subito, anziché attendere il rilassamento passivo. Ciò supporta circuiti dinamici e riduce il costo temporale delle verifiche ripetute. IBM presenta il reset indipendente ad alta velocità e il supporto ai circuiti dinamici come strumenti per la ricerca sulla correzione degli errori. 1719

Questo non rende Nighthawk r2 una macchina tollerante agli errori: è una capacità hardware abilitante per esperimenti e architetture che ne avranno bisogno.

Meno enfasi sul conteggio, più attenzione alla capacità utilizzabile

Nighthawk r2 conserva il numero simbolico di 120 qubit programmabili, ma punta su velocità, connettività, qualità dell’inizializzazione e prestazioni delle porte. L’architettura Nighthawk usa una griglia quadrata con fino a quattro connessioni per qubit, rispetto alle fino a tre connessioni della precedente architettura heavy-hex. IBM colloca questa famiglia di processori nel percorso verso l’esplorazione e la scalabilità del vantaggio quantistico prima della tolleranza agli errori su larga scala. 22

Il messaggio è che il numero di qubit, da solo, non determina l’utilità di un processore. Servono anche operazioni sufficientemente accurate, collegamenti efficienti, inizializzazione affidabile e un throughput che permetta di raccogliere risultati in tempi pratici.

Il posto di IBM Phoenix nella roadmap

IBM non presenta Nighthawk r2 come un sistema fault-tolerant, cioè capace di correggere gli errori in modo robusto su larga scala. Lo propone invece come piattaforma di breve periodo per carichi di lavoro a throughput più elevato e per sperimentare tecniche di controllo dinamico rilevanti per la correzione degli errori.

L’azienda ha annunciato investimenti superiori a 10 miliardi di dollari nel calcolo quantistico in cinque anni, destinati a ricerca e sviluppo, spese in conto capitale, aumento della capacità produttiva, partnership e acquisizioni. La roadmap punta a IBM Quantum Starling nel 2029: IBM afferma che il sistema previsto sarà modulare e corretto dagli errori, con l’obiettivo di eseguire circuiti da 100 milioni di porte su 200 qubit logici. 2924

La lezione di Nighthawk r2 è quindi semplice: il progresso dell’hardware quantistico non consiste soltanto nel collocare più qubit su un chip. Il guadagno di throughput dichiarato da IBM nasce dalla riduzione del tempo inattivo tra le esecuzioni, rendendo più sfruttabile l’hardware attuale e preparando cicli più rapidi di misura e reset, essenziali per i futuri sistemi corretti dagli errori. 117