IBM Nighthawk r2 виконує понад 100 000 квантових схем за секунду завдяки швидкому скиданню кубітів

IBM прискорила Nighthawk r2 не тим, що змусила квантові вентилі працювати у 25 разів швидше. Вузьким місцем виявилося очікування між запусками: після завершення квантової схеми кубіти потрібно повернути у відомий початковий стан — зазвичай (|0\rangle).

Для цього кожен із 120 програмованих кубітів Nighthawk r2 отримав незалежний високошвидкісний механізм активного скидання. За даними IBM, процесор ibm_phoenix здатен виконувати понад 100 000 схем за секунду — до 25 разів більше, ніж парк процесорів Heron. 16

Головна зміна — активне скидання кожного кубіта

Після попереднього запуску кубіт може залишитися у збудженому стані. Тоді система або чекає на його природне повернення до основного стану, або застосовує інший спосіб скидання. Для завдань із великою кількістю коротких схем чи повторних вимірювань така пауза може становити значну частину загального часу роботи.

У Nighthawk r2 IBM додала до кожного кубіта окремий дисипативний елемент скидання. Компанія описує його як механізм, що активно охолоджує кубіт до основного стану. За повідомленнями про архітектуру пристрою, зв’язувальний елемент із широким динамічним діапазоном за потреби відводить енергію від програмованого кубіта. Ефективний час релаксації при активному скиданні, за наведеними даними, зменшується приблизно з 200 мікросекунд до 25 наносекунд. 36

На рівні всієї системи IBM скоротила стандартну паузу повторення зі 250 мкс до 1 мкс. Тобто наступний запуск схеми може починатися значно раніше. 1

Що означає показник «у 25 разів»: це приріст пропускної здатності виконання схем, який особливо важливий там, де скидання і пауза між повторами займають помітну частину часу. Це не означає, що кожен квантовий вентиль став у 25 разів швидшим.

Що саме містить процесор

Nighthawk r2 — це процесор зі 120 програмованими кубітами у квадратній ґратці. Кожен кубіт має до чотирьох сусідів. Його фізична структура включає:

• 120 програмованих кубітів, що виконують квантові операції;
• 218 спеціалізованих зв’язувальних елементів, які забезпечують взаємодію між кубітами;
• 120 незалежних елементів скидання — по одному для кожного програмованого кубіта.

Разом це 458 фізичних квантових елементів. Компоненти скидання не є додатковими обчислювальними кубітами — це допоміжне обладнання для їхньої ініціалізації. 1218

Такий підхід відображає важливий компроміс у квантовій інженерії: корисну продуктивність можна підвищувати не лише збільшенням кількості кубітів, а й поліпшенням зв’язності, точності операцій, керування, ініціалізації та темпу виконання повторюваних завдань.

Швидкість важлива лише разом із якістю скидання

Саме по собі швидке скидання не було б перевагою, якби воно залишало кубіти в ненадійному початковому стані або заважало сусіднім операціям. IBM стверджує, що активне скидання Nighthawk r2 приблизно у 25 разів зменшує помилку ініціалізації по всьому пристрою, водночас зберігаючи точність вентилів на рівні Heron. Також механізм має працювати без істотного впливу на сусідні кубіти. 6

Це важливо, бо ініціалізація входить до загального бюджету помилок обчислення. Швидший експеримент, що стартує з менш надійного стану, не обов’язково дає кращий результат. Теза IBM полягає в тому, що Nighthawk r2 скорочує час підготовки, не жертвуючи базовою якістю вентилів Heron. 16

Чому більше схем за секунду іноді важливіше за більше кубітів

Пропускна здатність має найбільше значення для задач, де схеми потрібно запускати багато разів: вибірки, оцінювання спостережуваних величин, калібрування, варіаційні алгоритми та інші експерименти, які збирають статистику з численних повторів.

IBM повідомляє, що Nighthawk r2 уже продемонстрував точне оцінювання спостережуваних для схем із понад 7 500 вентилями. Це показник глибини схеми, тоді як понад 100 000 схем на секунду — показник пропускної здатності. Разом вони мають показати можливості пристрою і щодо складності схем, і щодо швидкості багаторазового виконання. 6

Ці метрики не варто плутати. Високий максимум схем за секунду сам по собі не доводить, що машина здатна надійно виконувати довільні довгі або складні алгоритми. І навпаки, демонстрація глибокої схеми не показує, як швидко пристрій може збирати повторні результати. Nighthawk r2 покликаний покращити обидва параметри, не збільшуючи кількість програмованих кубітів понад 120. 617

Скидання під час виконання схеми та корекція помилок

Механізм скидання доступний і в динамічних сценаріях — посеред виконання схеми. У принципі це дає змогу виміряти кубіт, скинути його та повторно використати в межах одного більшого обчислення, а не залишати недоступним після вимірювання.

Це особливо актуально для експериментів із квантовою корекцією помилок. У таких протоколах допоміжні кубіти можуть потребувати неодноразового вимірювання та оновлення, щоб перевіряти стан кубітів даних. Швидке незалежне скидання здатне зменшити накладні витрати цих циклів і робить апаратну платформу придатнішою для дослідження відповідних методів. IBM позиціонує Nighthawk як платформу для масштабування навантажень до появи великомасштабних відмовостійких квантових обчислень. 618

Місце Nighthawk r2 у планах IBM

Nighthawk r2 доступний на IBM Quantum Platform під назвою ibm_phoenix для відповідних тарифних планів. IBM подає його як крок до виконання більшого обсягу корисної роботи за незмінної місткості у 120 кубітів — із фокусом не лише на їхній кількості, а на поєднанні масштабу, якості та швидкості. 117

Водночас це ще не відмовостійкий квантовий комп’ютер. Систему IBM Quantum Starling компанія планує представити у 2029 році: за її планом, це буде модульна система з корекцією помилок, здатна виконувати 100 мільйонів квантових вентилів на 200 логічних кубітах. Це ціль дорожньої карти, а не можливість, доступна в Nighthawk r2 сьогодні. 1729

Висновок

Головне прискорення Nighthawk r2 забезпечує усунення значної частини простою між запусками схем. Оснастивши кожен програмований кубіт незалежним дисипативним механізмом скидання, IBM заявляє про швидше й повніше повернення кубітів до початкового стану, стандартну паузу повторення в 1 мкс та понад 100 000 виконань схем за секунду. 16

Практичний сенс для користувачів квантових систем — не в тому, що «квантові вентилі стали у 25 разів швидшими». Йдеться про потенціал значно швидше збирати результати повторних запусків за зіставної точності вентилів. Це особливо корисно для задач із великою кількістю повторів, динамічних схем і досліджень корекції квантових помилок. 16