Bagaimana IBM Nighthawk r2 mencapai 100,000 larian litar kuantum sesaat

IBM Quantum Nighthawk r2, yang tersedia pada Platform IBM Quantum sebagai ibm_phoenix, direka untuk menyelesaikan satu hambatan praktikal dalam pengkomputeran kuantum superkonduktor: masa menunggu qubit kembali ke keadaan permulaan yang bersih selepas satu larian litar.

Daripada menambah bilangan qubit boleh atur cara, IBM memasang perkakasan reset aktif pada setiap qubit dalam pemproses 120-qubit ini. IBM melaporkan Nighthawk r2 mampu menjalankan lebih 100,000 litar sesaat, sekitar 25 kali kadar daya pemprosesan kumpulan pemproses Heron. 117

Hambatan utama ialah reset qubit, bukan kelajuan gerbang

Program kuantum lazimnya perlu mengulangi litar yang sama berkali-kali—sering dipanggil shots—untuk menganggarkan kebarangkalian hasil pengukuran atau kuantiti fizik. Selepas satu larian, qubit superkonduktor mungkin masih berada dalam keadaan bertenaga. Jika sistem hanya menunggu qubit merehat secara semula jadi, tempoh itu boleh menjadi sebahagian besar masa sebelum larian seterusnya.

Menurut IBM, sela ulangan lalai sebelum ini ialah 250 mikrosaat. Pada Nighthawk r2, ia menjadi 1 mikrosaat. Perubahan inilah, bukannya peningkatan 25 kali dalam kelajuan setiap gerbang kuantum, yang terutama membolehkan lebih banyak litar dijalankan setiap saat. 17

Bezanya penting: daya pemprosesan litar mengukur seberapa pantas sesuatu beban kerja boleh mengulangi larian dan mengumpulkan statistik. Angka 25× tidak secara automatik bermaksud setiap algoritma akan menjadi 25 kali lebih pantas, atau bahawa komputer ini sudah mencapai kelebihan kuantum bagi semua tujuan.

Cara reset dissipatif berfungsi

Nighthawk r2 menggantikan strategi reset bersyarat dan masa melahu dengan alat reset dissipatif khusus bagi setiap qubit boleh atur cara. Gandingan boleh laras dengan julat dinamik tinggi menghubungkan qubit itu sementara waktu kepada persekitaran sejuk, lalu mengalirkan keluar tenaganya dan mengembalikannya ke keadaan asas apabila diperlukan. 14

IBM melaporkan masa relaksasi efektif median, atau T1, berubah daripada kira-kira 200 mikrosaat ketika reset tidak aktif kepada kira-kira 25 nanosaat apabila reset diaktifkan. Namun, sela pada peringkat sistem antara pelaksanaan litar sekitar 1 mikrosaat kerana masih ada kos kawalan, pengukuran dan operasi lain di luar reset fizikal itu sendiri. 317

Ringkasnya, IBM menukar proses reset daripada tempoh menunggu pasif kepada operasi perkakasan yang aktif.

Apa yang ada dalam pemproses 120-qubit ini?

Nighthawk r2 mempunyai 120 qubit superkonduktor boleh atur cara, disokong oleh 218 pengganding antara qubit dan 120 unsur reset bebas—satu untuk setiap qubit boleh atur cara. Jumlahnya ialah 458 unsur kuantum fizikal. 1112

IBM menyatakan pendekatan reset bagi setiap qubit mempunyai tiga ciri utama:

• Reset bebas: satu qubit boleh direset tanpa memaksa semua qubit lain menjalani proses yang sama.
• Inisialisasi lebih bersih: IBM melaporkan pengurangan kira-kira 25 kali dalam ralat inisialisasi.
• Kualiti gerbang dikekalkan: IBM melaporkan ralat gerbang berlapis sekitar 3 × 10⁻³, setanding dengan sistem Heron, dan menyatakan pengaktifan reset tidak mengganggu qubit pengiraan bersebelahan. 315

Ini ialah keputusan prestasi yang dilaporkan oleh IBM. Ia menunjukkan reset pantas boleh wujud bersama tahap kualiti gerbang yang dinyatakan IBM, tetapi bukan demonstrasi bebas bahawa sistem ini sudah bertoleransi ralat.

Beban kerja yang paling mendapat manfaat

Keuntungan paling besar dijangka bagi tugas yang banyak bergantung pada pengulangan litar, pengukuran atau kawalan dinamik. Jika suatu tugas perlu menjalankan litar beribu-ribu atau berjuta-juta kali untuk menganggarkan sesuatu kuantiti, pengurangan hampir keseluruhan masa menunggu selepas larian boleh mempercepatkan masa mendapatkan keputusan dengan ketara.

IBM melaporkan penganggaran pemerhatian yang tepat pada litar dengan lebih daripada 7,500 gerbang. IBM juga melaporkan pecutan 12× bagi simulasi serakan neutron, yang menghasilkan spektrum setanding data makmal dalam kira-kira 60 saat. Dapatan ini menunjukkan daya pemprosesan lebih tinggi boleh memendekkan tugas tertentu, tetapi tidak patut dianggap sebagai tuntutan bahawa semua aplikasi akan 12× atau 25× lebih laju. 20

Mengapa reset di tengah litar penting untuk pembetulan ralat

Reset pantas bukan hanya berguna antara dua pelaksanaan litar. Ia juga penting di dalam satu litar. Dalam skim pembetulan ralat kuantum, qubit tambahan yang sering dipanggil qubit semakan atau syndrome diukur berulang kali untuk mengesan ralat pada qubit data. Qubit tambahan itu perlu direset sebelum kitaran pengukuran berikutnya.

Dengan pengukuran dan reset di tengah litar, sebuah qubit ancilla boleh diukur, diinisialisasi semula dan digunakan semula, tanpa perlu menunggu relaksasi pasif. Keupayaan ini menyokong litar dinamik dan mengurangkan kos masa bagi kitaran pemeriksaan ralat yang berulang. IBM menyifatkan reset bebas berkelajuan tinggi dan sokongan litar dinamik Nighthawk r2 sebagai alat bagi penyelidikan pembetulan ralat kuantum. 1719

Namun, ini tidak menjadikan Nighthawk r2 sebuah mesin bertoleransi ralat. Ia ialah keupayaan perkakasan yang membolehkan eksperimen yang diperlukan untuk sistem kuantum diperbetulkan ralat pada masa hadapan.

Peralihan daripada kiraan qubit kepada daya pemprosesan yang boleh digunakan

Nighthawk r2 mengekalkan angka utama 120 qubit boleh atur cara, tetapi mengutamakan kelajuan, kesalinghubungan, mutu inisialisasi dan prestasi gerbang. Seni bina Nighthawk menggunakan kisi segi empat sama dengan sehingga empat sambungan bagi setiap qubit, berbanding sehingga tiga jiran pada reka bentuk heavy-hex IBM sebelum ini. IBM meletakkan keluarga Nighthawk sebagai platform untuk meneroka dan menskalakan kelebihan kuantum sebelum toleransi ralat berskala besar dicapai. 22

Ini menekankan satu hakikat penting: kiraan qubit semata-mata tidak menentukan sama ada mesin boleh menjalankan beban kerja yang berguna. Pemproses juga memerlukan operasi yang cukup tepat, sambungan yang cekap, inisialisasi yang boleh dipercayai dan kadar pelaksanaan yang memadai untuk mengumpulkan hasil dalam tempoh yang praktikal.

Kedudukan IBM Phoenix dalam pelan hala tuju IBM

IBM tidak mempersembahkan Nighthawk r2 sebagai mesin bertoleransi ralat. Sebaliknya, ia ialah pemproses jangka dekat untuk beban kerja kuantum berdaya pemprosesan lebih tinggi dan untuk menguji teknik kawalan dinamik yang relevan kepada pembetulan ralat.

IBM telah menyatakan komitmen untuk melabur lebih AS$10 bilion dalam pengkomputeran kuantum sepanjang lima tahun, meliputi penyelidikan dan pembangunan, perbelanjaan modal, peningkatan skala pembuatan, perkongsian ekosistem dan pemerolehan. Pelan hala tujunya menyasarkan IBM Quantum Starling pada 2029; IBM menyatakan sistem modular yang diperbetulkan ralat itu dirancang untuk menjalankan litar dengan 100 juta gerbang pada 200 qubit logikal. 2924

Kesimpulannya, kemajuan perkakasan kuantum bukan sekadar soal memuatkan lebih banyak qubit pada cip. Keuntungan 25× yang dilaporkan IBM datang daripada mengurangkan masa terbiar antara larian—kemajuan yang boleh menjadikan perkakasan 120-qubit hari ini lebih berguna, sambil membina keupayaan untuk kitaran pengukuran dan reset pantas yang diperlukan oleh sistem diperbetulkan ralat pada masa depan. 117