IBM Nighthawk r2 når 100.000 kvantekretser i sekundet med raskere qubit-nullstilling

IBM Nighthawk r2 øker gjennomstrømmingen ved å angripe en praktisk flaskehals: tiden qubitene må bruke på å komme tilbake til grunntilstanden før neste kretskjøring. I stedet for først og fremst å legge til flere programmerbare qubiter eller gjøre alle kvanteporter raskere, har IBM gitt hver qubit en egen høyhastighetsløsning for nullstilling.

Ifølge IBM kan ibm_phoenix dermed nå over 100.000 kretskjøringer i sekundet, opptil 25 ganger gjennomstrømmingen til Heron-flåten. 16

Nøkkelen er aktiv nullstilling for hver qubit

En kvanteprosessor må starte en ny krets fra en kjent tilstand, vanligvis skrevet som (|0\rangle). Er en qubit fortsatt eksitert etter forrige kjøring, må systemet enten vente på naturlig relaksasjon eller nullstille den på annet vis. I arbeidslaster med mange korte kretser eller svært mange gjentakelser – ofte kalt shots – kan denne ventetiden utgjøre en stor del av total kjøretid.

Nighthawk r2 har et uavhengig dissipativt nullstillingselement for hver av de 120 programmerbare qubitene. IBM beskriver løsningen som aktiv nedkjøling av qubiten tilbake til grunntilstanden. Andre beskrivelser av teknologien viser til et koblingselement med stort dynamisk område, som ved behov kan trekke energi ut av den programmerbare qubiten. Den oppgitte effektive relaksasjonstiden faller fra rundt 200 mikrosekunder til om lag 25 nanosekunder når nullstillingen er aktiv. 36

På systemnivå er virkningen at pausen mellom kretskjøringer blir langt kortere. IBM har redusert standard forsinkelse mellom repetisjoner fra 250 µs til 1 µs. 1

Hva betyr 25×-tallet? Det er et mål på gjennomstrømming av kretskjøringer, særlig relevant når nullstilling og repetisjonsforsinkelse utgjør mye av total kjøretid. Det betyr ikke at hver enkelt kvanteport kjører 25 ganger raskere.

Hva består prosessoren av?

Nighthawk r2 er en prosessor med 120 programmerbare qubiter i et kvadratisk gitter. Hver qubit kan være koblet til opptil fire naboer. De fysiske elementene er:

• 120 programmerbare qubiter, som utfører kvanteoperasjonene
• 218 dedikerte koblingselementer, som gir forbindelse mellom qubiter
• 120 uavhengige nullstillingselementer, ett til hver programmerbare qubit

Til sammen blir dette 458 fysiske kvanteelementer. Nullstillingselementene er støttemaskinvare, ikke ekstra qubiter til beregning. 1218

Utformingen illustrerer et stadig viktigere kompromiss i kvanteingeniørfaget: Nyttig kapasitet kan forbedres ikke bare ved å øke antallet qubiter, men også gjennom bedre sammenkobling, høyere fidelitet, kontroll, initialisering og høyere tempo i gjentatte arbeidslaster.

Rask nullstilling må også være presis

En rask nullstilling ville vært mindre verdt dersom den ga upresise starttilstander eller forstyrret naboqubiter. IBM oppgir at den aktive nullstillingen reduserer initialiseringsfeilen med rundt en faktor på 25, samtidig som portfideliteten holder Heron-nivå. Selskapet sier også at mekanismen er konstruert for ikke å forstyrre nærliggende qubiter vesentlig. 6

Dette er viktig fordi initialiseringen er en del av hele feilbudsjettet i en kvanteberegning. Et raskere eksperiment som starter fra en mindre pålitelig tilstand, er ikke nødvendigvis et bedre eksperiment. IBMs påstand er at Nighthawk r2 forbedrer tiden mellom kjøringene uten å senke kvalitetsnivået for porter sammenlignet med Heron. 16

Derfor kan flere kretser per sekund være viktigere enn flere qubiter

Kretsgjennomstrømming betyr mest for oppgaver som krever mange gjentatte kjøringer: sampling, estimering av observerbare størrelser, kalibrering, variasjonelle metoder og andre eksperimenter som samler statistikk over mange shots. Da kan lange nullstillingspauser gjøre at prosessoren står ubrukt en betydelig del av tiden.

IBM oppgir at Nighthawk r2 har demonstrert nøyaktig estimering av observerbare størrelser på kretser med mer enn 7.500 porter. Dette er et mål på kretsdybde, mens tallet på over 100.000 kretser per sekund er et mål på gjennomstrømming. Sammen er de ment å vise både evne til komplekse arbeidslaster og høyere utføringstempo. 6

Skillet er vesentlig: Et høyt maks-tall for kretser per sekund viser ikke alene at maskinen pålitelig kan kjøre vilkårlige lange eller komplekse algoritmer. På samme måte sier en demonstrasjon med dype kretser ikke i seg selv noe om hvor raskt systemet kan levere mange gjentatte resultater. Nighthawk r2 er laget for å forbedre begge dimensjoner uten å øke antallet programmerbare qubiter utover 120. 617

Nullstilling underveis i kretsen og feilkorreksjon

Nullstillingsfunksjonen kan også brukes dynamisk midt i en krets. I prinsippet lar det en qubit måles, nullstilles og brukes på nytt i én større beregning, i stedet for å være utilgjengelig etter målingen.

Dette er særlig relevant i forsøk med kvantefeilkorreksjon. Hjelpequbiter kan da måtte måles og klargjøres på nytt gjentatte ganger mens de kontrollerer dataqubiter. Rask, uavhengig nullstilling kan redusere kostnaden ved slike sykluser og gjøre maskinvaren bedre egnet til å utforske disse protokollene. IBM beskriver Nighthawk som en plattform for å skalere arbeidslaster før storskala feiltolerant kvantedatabehandling. 618

Plassen i IBMs veikart

Nighthawk r2 er tilgjengelig på IBM Quantum Platform som ibm_phoenix for kvalifiserte abonnementstyper. IBM presenterer prosessoren som et steg mot mer nyttig arbeid med fast kapasitet på 120 qubiter, med vekt på kombinasjonen av skala, kvalitet og hastighet – ikke qubit-antallet alene. 117

Dette er likevel ikke en feiltolerant kvantedatamaskin. IBMs planlagte Starling-system har 2029 som målår og beskrives som et feilkorrektert, modulært system som skal kunne kjøre 100 millioner porter på 200 logiske qubiter. Det er et mål i veikartet, ikke en kapasitet Nighthawk r2 leverer i dag. 1729

Kort oppsummert

Nighthawk r2s mest omtalte hastighetsløft kommer av at mye av dødtiden mellom kretskjøringer fjernes. Ved å kombinere hver programmerbare qubit med egen dissipativ nullstillingsmaskinvare, sier IBM at systemet kan nullstille raskere og mer fullstendig, redusere standard repetisjonsforsinkelse til 1 µs og nå over 100.000 kretskjøringer per sekund. 16

Den praktiske betydningen er altså ikke «25 ganger raskere kvanteporter». Det er muligheten til å hente inn resultater fra gjentatte kretskjøringer langt raskere, uten at IBM oppgir et fall i sammenlignbar portfidelitet. Det er spesielt relevant for arbeidslaster med mange shots, dynamiske kretser og forskning på kvantefeilkorreksjon. 16