IBM Nighthawk r2 เร่งการประมวลผลควอนตัม 25 เท่า ด้วยการรีเซ็ตคิวบิตแบบแอ็กทีฟ

IBM Nighthawk r2 ซึ่งให้ใช้งานบน IBM Quantum Platform ภายใต้ชื่อ ibm_phoenix ไม่ได้เร่งความเร็วด้วยการเพิ่มจำนวนคิวบิตที่ผู้ใช้สั่งงานได้ แต่แก้คอขวดที่มักถูกมองข้ามของคอมพิวเตอร์ควอนตัมแบบตัวนำยิ่งยวด นั่นคือ เวลาที่ต้องรอให้คิวบิตกลับสู่สถานะเริ่มต้นหลังจบรอบการคำนวณ

IBM ระบุว่าชิป 120 คิวบิตรุ่นนี้รันวงจรได้มากกว่า 100,000 ครั้งต่อวินาที หรือราว 25 เท่าของอัตราการส่งผ่านวงจรของระบบ Heron ในปัจจุบัน 117

คอขวดอยู่ที่การรีเซ็ต ไม่ใช่ความเร็วของเกต

โปรแกรมควอนตัมมักต้องทำซ้ำวงจรเดิมจำนวนมาก หรือที่เรียกว่า shots เพื่อรวบรวมสถิติจากผลการวัด เช่น ความน่าจะเป็นของผลลัพธ์หรือค่าปริมาณทางฟิสิกส์ หลังจบรอบ คิวบิตแบบตัวนำยิ่งยวดอาจยังอยู่ในสถานะกระตุ้น จึงต้องกลับสู่สถานะพื้นก่อนเริ่มรอบถัดไป

เดิม IBM ตั้งค่าเวลาหน่วงระหว่างการรันไว้ที่ 250 ไมโครวินาที แต่ Nighthawk r2 ลดเหลือ 1 ไมโครวินาที 17 จุดนี้เองที่ผลักดันอัตราการรันให้สูงขึ้น ไม่ได้หมายความว่าเกตควอนตัมแต่ละเกตทำงานเร็วขึ้น 25 เท่า

ดังนั้น ตัวเลข 25 เท่าจึงหมายถึง อัตราการส่งผ่านของวงจร หรือจำนวนครั้งที่ระบบทำวงจรซ้ำและเก็บผลวัดได้ต่อวินาที ไม่ใช่คำรับประกันว่าอัลกอริทึมทุกชนิดจะเร็วขึ้น 25 เท่า หรือเป็นหลักฐานของความได้เปรียบควอนตัมแบบทั่วไป

รีเซ็ตแบบ dissipative ทำงานอย่างไร

Nighthawk r2 เปลี่ยนจากการรีเซ็ตแบบมีเงื่อนไขและการปล่อยให้คิวบิตพักเอง มาใช้ชุดรีเซ็ตแบบสลายพลังงาน (dissipative reset gadget) แยกให้คิวบิตที่โปรแกรมได้ทุกตัว

ตัวเชื่อมต่อแบบปรับจูนได้ที่มีช่วงไดนามิกสูง จะเชื่อมคิวบิตเข้ากับสภาพแวดล้อมที่เย็นมากเป็นการชั่วคราว เพื่อดึงพลังงานกระตุ้นออกและพาคิวบิตกลับสู่สถานะพื้นตามต้องการ 14

IBM รายงานว่า ค่าเวลาคลายตัวเชิงประสิทธิผล หรือ T1 ค่ามัธยฐาน เปลี่ยนจากราว 200 ไมโครวินาทีเมื่อไม่เปิดรีเซ็ต เหลือราว 25 นาโนวินาทีเมื่อเปิดใช้งานรีเซ็ต ขณะที่ช่วงหน่วงระดับระบบระหว่างการรันวงจรอยู่ที่ราว 1 ไมโครวินาที ซึ่งยังรวมเวลาสำหรับการควบคุม การวัด และโอเวอร์เฮดอื่น ๆ นอกเหนือจากการรีเซ็ตทางกายภาพ 317

พูดอย่างง่าย IBM เปลี่ยนการรีเซ็ตจากช่วงเวลาที่ต้อง “รอ” ให้เป็นปฏิบัติการฮาร์ดแวร์ที่สั่งทำได้

ภายในชิป 120 คิวบิตมีอะไรบ้าง

Nighthawk r2 มีคิวบิตตัวนำยิ่งยวดที่ตั้งโปรแกรมได้ 120 ตัว พร้อมองค์ประกอบสนับสนุน ได้แก่

• ตัวเชื่อมระหว่างคิวบิต 218 ตัว
• ชุดรีเซ็ตอิสระ 120 ชุด หรือหนึ่งชุดต่อคิวบิตที่โปรแกรมได้หนึ่งตัว
• รวมเป็นองค์ประกอบควอนตัมทางกายภาพ 458 ส่วน 1112

IBM ระบุว่าการออกแบบรีเซ็ตรายคิวบิตมีข้อสำคัญ 3 ประการ

• รีเซ็ตได้อิสระ: รีเซ็ตคิวบิตตัวหนึ่งได้โดยไม่ต้องบังคับให้คิวบิตอื่นเข้าสู่กระบวนการเดียวกัน
• เริ่มต้นได้สะอาดขึ้น: IBM รายงานว่าความผิดพลาดระหว่างการกำหนดสถานะเริ่มต้นลดลงราว 25 เท่า
• ยังรักษาคุณภาพของเกต: IBM รายงานค่าความผิดพลาดของเกตแบบเลเยอร์ราว 3 × 10⁻³ ใกล้เคียงระบบ Heron และระบุว่าการเปิดรีเซ็ตไม่รบกวนคิวบิตคำนวณข้างเคียง 315

ตัวเลขเหล่านี้เป็นผลการทดสอบที่ IBM รายงานเอง จึงสะท้อนว่ารีเซ็ตเร็วสามารถอยู่ร่วมกับคุณภาพเกตตามที่บริษัทระบุได้ แต่ยังไม่ใช่การพิสูจน์อิสระว่าระบบทนต่อความผิดพลาดแล้ว

งานประเภทใดได้ประโยชน์มากที่สุด

ประโยชน์สูงสุดน่าจะอยู่ในงานที่ใช้เวลาส่วนใหญ่กับการรันซ้ำ การวัด หรือการควบคุมแบบไดนามิก หากต้องรันวงจรนับพันหรือนับล้านครั้งเพื่อประเมินค่าทางฟิสิกส์ การตัดเวลารอหลังจบรอบออกไปส่วนใหญ่ย่อมลดเวลารวมของงานได้อย่างมีนัยสำคัญ

IBM รายงานว่าสามารถประเมินค่าปริมาณสังเกตได้อย่างแม่นยำบนวงจรที่มีเกตกว่า 7,500 เกต และรายงานความเร็วเพิ่มขึ้น 12 เท่าในการจำลองการกระเจิงของนิวตรอน โดยสร้างสเปกตรัมที่เทียบได้กับข้อมูลห้องปฏิบัติการในเวลาราว 60 วินาที 20

ผลเหล่านี้ชี้ว่าการส่งผ่านที่สูงขึ้นช่วยลดเวลาของเวิร์กโหลดเฉพาะได้ แต่ไม่ควรตีความว่าแอปพลิเคชันทุกชนิดจะเร็วขึ้น 12 เท่าหรือ 25 เท่า

เหตุใดการรีเซ็ตระหว่างวงจรจึงสำคัญต่อการแก้ไขข้อผิดพลาด

การรีเซ็ตเร็วไม่ได้มีประโยชน์เฉพาะช่วงระหว่างการรันวงจรเท่านั้น แต่มีความสำคัญภายในวงจรด้วย ระบบแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัมต้องวัดคิวบิตเสริม หรือคิวบิตตรวจสอบความผิดพลาด (ancilla หรือ syndrome qubit) ซ้ำ ๆ เพื่อค้นหาความผิดพลาดที่กระทบคิวบิตข้อมูล จากนั้นคิวบิตเสริมต้องถูกรีเซ็ตก่อนเริ่มรอบตรวจสอบถัดไป

การวัดและรีเซ็ตระหว่างวงจรช่วยให้คิวบิตเสริมถูกวัด ตั้งค่าเริ่มต้นใหม่ และนำกลับมาใช้ได้ แทนที่จะรอให้คลายตัวเองตามธรรมชาติ IBM ระบุว่า Nighthawk r2 รองรับการรีเซ็ตความเร็วสูงแบบอิสระ การรีเซ็ตระหว่างวงจร และวงจรไดนามิก เพื่อใช้ในการวิจัยการแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัม 1719

อย่างไรก็ดี ความสามารถนี้ ไม่ได้ทำให้ Nighthawk r2 เป็นเครื่องที่ทนต่อความผิดพลาด แต่เป็นความสามารถระดับฮาร์ดแวร์ที่จำเป็นต่อการทดลองและระบบแก้ไขข้อผิดพลาดในอนาคต

จากการแข่งขันจำนวนคิวบิต สู่การวัด “งานที่ทำได้จริง”

Nighthawk r2 ยังคงมีคิวบิตที่โปรแกรมได้ 120 ตัวเท่าเดิม แต่เน้นความเร็ว การเชื่อมต่อ คุณภาพการตั้งต้น และประสิทธิภาพของเกตมากขึ้น สถาปัตยกรรม Nighthawk ใช้โครงข่ายแบบสี่เหลี่ยมที่คิวบิตหนึ่งตัวเชื่อมต่อได้สูงสุด 4 เพื่อนบ้าน เทียบกับโครงสร้าง heavy-hex รุ่นก่อนหน้าที่เชื่อมได้สูงสุด 3 เพื่อนบ้าน 22

IBM วางตำแหน่งตระกูล Nighthawk เป็นแพลตฟอร์มสำหรับสำรวจและขยายความได้เปรียบควอนตัม ก่อนจะไปถึงระบบทนต่อความผิดพลาดขนาดใหญ่

สาระสำคัญคือ จำนวนคิวบิตเพียงอย่างเดียวไม่ได้บอกว่าชิปจะทำงานที่มีประโยชน์ได้มากแค่ไหน ระบบยังต้องมีการทำงานที่แม่นยำ การเชื่อมต่อที่มีประสิทธิภาพ การตั้งต้นคิวบิตที่เชื่อถือได้ และอัตราการรันสูงพอจะเก็บผลลัพธ์ในเวลาที่ใช้งานได้จริง

Nighthawk r2 อยู่ตรงไหนในโรดแมป IBM

IBM ไม่ได้นำเสนอ Nighthawk r2 ว่าเป็นเครื่องควอนตัมแบบทนต่อความผิดพลาด แต่เป็นชิประยะใกล้สำหรับเวิร์กโหลดที่ต้องการอัตราการประมวลผลสูงขึ้น และสำหรับทดสอบเทคนิคควบคุมแบบไดนามิกที่เกี่ยวข้องกับการแก้ไขข้อผิดพลาด

บริษัทประกาศแผนลงทุนในคอมพิวเตอร์ควอนตัมมากกว่า 10,000 ล้านดอลลาร์สหรัฐภายใน 5 ปี ครอบคลุมงานวิจัยและพัฒนา รายจ่ายลงทุน การขยายกำลังผลิต ความร่วมมือในระบบนิเวศ และการซื้อกิจการ 29 ส่วนเป้าหมาย IBM Quantum Starling ในปี 2029 นั้น IBM ระบุว่าจะเป็นระบบแบบโมดูลาร์ที่มีการแก้ไขข้อผิดพลาด สามารถรันวงจร 100 ล้านเกตด้วยคิวบิตเชิงตรรกะ 200 ตัว 24

บทสรุปของ Nighthawk r2 จึงไม่ใช่แค่ “ใส่คิวบิตเพิ่มบนชิป” แต่คือการลดเวลาสูญเปล่าระหว่างรอบรัน การเพิ่มอัตราการส่งผ่านที่ IBM รายงานว่าทำได้ 25 เท่า อาจทำให้ฮาร์ดแวร์ 120 คิวบิตที่มีอยู่ใช้งานได้จริงมากขึ้น พร้อมสร้างพื้นฐานสำหรับรอบการวัดและรีเซ็ตที่รวดเร็ว ซึ่งระบบควอนตัมที่แก้ไขข้อผิดพลาดได้ในอนาคตจะต้องพึ่งพา 117