IBM Nighthawk r2 når 100 000 kvantkretsar per sekund – genom snabbare återställning

IBM:s Nighthawk r2 ökar antalet genomförda kvantkretsar genom att angripa en vardaglig men avgörande flaskhals: väntan på att qubitarna ska återgå till sitt grundtillstånd innan nästa körning kan börja.

I stället för att främst lägga till fler programmerbara qubitar har IBM utrustat var och en av processorns 120 qubitar med egen snabb återställning. Enligt IBM kan processorn, som är tillgänglig som ibm_phoenix, därmed nå mer än 100 000 kretsar per sekund – upp till 25 gånger genomströmningen hos företagets Heron-system. 16

Nyckeln: aktiv återställning för varje qubit

En kvantkrets behöver normalt starta med qubitar i ett känt tillstånd, vanligen (|0\rangle). Om en qubit fortfarande befinner sig i ett exciterat tillstånd efter föregående körning måste systemet antingen vänta på dess naturliga relaxation eller återställa den på annat vis. För arbetslaster med många korta kretsar eller upprepade mätningar – så kallade shots – kan den väntan ta en stor del av den totala tiden.

Nighthawk r2 har ett separat dissipativt återställningselement för varje programmerbar qubit. IBM beskriver detta som att qubiten aktivt kyls tillbaka till grundtillståndet. Enligt rapporteringen används en kopplare med stort dynamiskt omfång för att vid behov dra energi ur den programmerbara qubiten. Den effektiva relaxationstiden uppges falla från omkring 200 mikrosekunder till cirka 25 nanosekunder när återställningen är aktiv. 36

På systemnivå innebär det att pausen mellan två kretskörningar blir betydligt kortare. IBM har sänkt standardfördröjningen mellan repetitionerna från 250 µs till 1 µs. 1

Vad 25× faktiskt betyder: Siffran avser genomströmning, alltså hur många kretsar som kan köras per sekund. Den är särskilt relevant när återställning och väntetid är en stor del av körningen. Den innebär inte att varje enskild kvantgrind är 25 gånger snabbare.

120 qubitar – men 458 fysiska kvantelement

Nighthawk r2 är en processor med 120 programmerbara qubitar i ett kvadratiskt gitter. Varje qubit kan kopplas till upp till fyra grannar. Hårdvaran omfattar:

• 120 programmerbara qubitar som utför kvantoperationerna
• 218 dedikerade kopplare för tvåqubitskopplingar
• 120 oberoende återställningselement, ett till varje programmerbar qubit

Det ger totalt 458 fysiska kvantelement. Återställningselementen är stödhårdvara, inte ytterligare beräkningsqubitar. 1218

Konstruktionen illustrerar en viktig avvägning inom kvantteknik: mer användbart beräkningsarbete kan komma från fler qubitar, men också från bättre kopplingar, högre tillförlitlighet, styrning, initiering och snabbare hantering av upprepade körningar.

Snabbare räcker inte – startläget måste också vara rent

En snabb återställning vore mindre värdefull om den lämnade qubiten i ett osäkert starttillstånd eller störde närliggande operationer. IBM uppger att den aktiva återställningen minskar initieringsfelet med ungefär 25 gånger, samtidigt som gatefideliteten ligger kvar i Heron-klassen. Företaget säger också att mekanismen är utformad för att inte i någon väsentlig grad störa intilliggande qubitar. 6

Detta är viktigt eftersom initieringen ingår i beräkningens samlade felbudget. En snabbare körning som inleds från ett mindre pålitligt tillstånd är inte nödvändigtvis bättre. IBM:s påstående är att Nighthawk r2 både kortar omloppstiden och bibehåller Herons kvalitetsnivå för grindar. 16

När fler kretsar per sekund gör störst skillnad

Genomströmning är särskilt betydelsefull för uppgifter som kräver många upprepningar, exempelvis sampling, skattning av observerbara storheter, kalibrering och variationsbaserade metoder. I sådana experiment kan en lång väntan på återställning innebära att processorn står sysslolös under en stor del av tiden.

IBM uppger även att Nighthawk r2 har visat korrekt skattning av observerbara storheter i kretsar med fler än 7 500 grindar. Det är ett mått på kretsdjup, medan över 100 000 kretsar per sekund är ett genomströmningsmått. Tillsammans är de avsedda att visa både komplexiteten i de kretsar systemet kan hantera och takten i upprepade körningar. 6

Skillnaden är väsentlig: en hög siffra för kretsar per sekund visar inte i sig att en dator tillförlitligt kan köra godtyckligt långa eller komplicerade algoritmer. På samma sätt säger en demonstration av en djup krets inte hur snabbt systemet kan leverera upprepade resultat. Nighthawk r2 är utformad för att förbättra båda dimensionerna utan att öka antalet programmerbara qubitar över 120. 617

Återställning mitt i kretsen och felkorrigering

Återställningsfunktionen kan även användas mitt under en dynamisk kvantkrets. I princip kan en qubit då mätas, återställas och användas på nytt under samma större beräkning, i stället för att förbli otillgänglig efter mätningen.

Det är särskilt relevant för experiment med kvantfelkorrigering. Där kan hjälpkvantar behöva mätas och uppdateras upprepade gånger medan de kontrollerar dataqubitar. Snabb, oberoende återställning kan minska omkostnaden i sådana cykler och göra hårdvaran bättre lämpad för att utforska dessa protokoll. IBM beskriver Nighthawk som en plattform för att skala arbetslaster inför storskalig, feltolerant kvantberäkning. 618

En del av IBM:s färdplan – men inte feltolerant ännu

Nighthawk r2 finns på IBM Quantum Platform som ibm_phoenix för berättigade abonnemang. IBM positionerar processorn som ett steg mot mer användbart beräkningsarbete vid en fast kapacitet på 120 qubitar, med fokus på skala, kvalitet och hastighet snarare än enbart qubitantal. 117

Det är dock inte en feltolerant kvantdator. IBM:s planerade Starling-system har målåret 2029 och beskrivs som ett modulärt, felkorrigerat system som ska kunna köra 100 miljoner kvantgrindar på 200 logiska qubitar. Det är ett mål i IBM:s färdplan, inte en funktion som Nighthawk r2 erbjuder i dag. 1729

Slutsats

Nighthawk r2:s rubrikskapande prestandalyft kommer främst från att den minskar dödtiden mellan kretskörningar. Genom att para ihop varje programmerbar qubit med egen dissipativ återställningshårdvara uppger IBM att systemet kan återställa qubitar snabbare och mer fullständigt, sänka standardfördröjningen till 1 µs och nå över 100 000 kretskörningar per sekund. 16

För användarna betyder det inte ”25 gånger snabbare kvantgrindar”. Den praktiska vinsten är möjligheten att samla in upprepade kretsresultat betydligt snabbare utan att ge upp jämförbar gatefidelitet – särskilt relevant för arbetslaster med många shots, dynamiska kretsar och forskning om kvantfelkorrigering. 16