Technologia IBM Quantum

Flota komputerów kwantowych IBM®, z których każdy ma co najmniej 127 kubitów, jest największa na świecie. Te komputery kwantowe wykorzystują nadprzewodzące kubity transmonowe, które nie są jedynym rodzajem kubitów, ale mają wiele zalet. Połączenie naszych światowej klasy komputerów kwantowych z Qiskitem pozwala naszym użytkownikom odkrywać, jak obliczenia kwantowe mogą być użyteczne w świecie już dziś. Partnerzy branżowi i badacze wykorzystują technologię IBM Quantum® do badania znaczących obliczeń i realistycznych zastosowań. Przyjrzyjmy się szerokiemu wachlarzowi programów i usług, które IBM Quantum oferuje partnerom.

Jeśli należysz do instytucji będącej członkiem IBM Quantum Network, skontaktuj się z grupą obliczeń kwantowych swojej instytucji, aby ustalić, do jakich korzyści masz dostęp.

Cele kształcenia

Po zakończeniu tego modułu powinieneś umieć:

• Rozpoznać, że rozwiązywanie istotnych problemów będzie wymagać połączenia zasobów kwantowych i klasycznych.
• Zidentyfikować sprzęt, oprogramowanie i usługi dostępne do rozwiązywania istotnych problemów.
• Opisać, jak mierzyć wydajność obliczeń kwantowych, w tym skalę, jakość i szybkość.

IBM Quantum Platform

IBM Quantum Platform udostępnia pakiet narzędzi do obliczeń kwantowych, który łączy w jednym miejscu wszystkie zasoby badawczo-rozwojowe potrzebne użytkownikom do wykonywania wspaniałej pracy. Użytkownicy mogą utworzyć konto i zalogować się, aby uzyskać dostęp do komputerów kwantowych IBM, wyświetlać szczegóły komputerów, śledzić obciążenia oraz uzyskiwać dostęp do materiałów w sekcjach Dokumentacja i Nauka.

• Strona główna służy jako główny punkt wyjścia dla ekosystemu produktu, gdzie użytkownicy mogą uzyskać swoje klucze API, zobaczyć podsumowanie swoich instancji i informacje o użyciu, przeglądać ostatnie szczegóły zadań oraz uzyskać dostęp do pomocnych linków do innych miejsc w platformie.
• Dokumentacja agreguje dokumentację Qiskit, dokumentację usług i informacje referencyjne API w jednej lokalizacji, zorganizowane w sposób wspierający naturalne przepływy pracy użytkowników.
• Nauka to miejsce materiałów edukacyjnych, w tym kursów i modułów dydaktycznych oraz interaktywnego Circuit Composer (wkrótce). To połączenie graficznego edytora i edytora kodu pozwala użytkownikom prototypować, symulować i debugować obwody wizualnie, a następnie uruchamiać je na komputerach kwantowych IBM.

Qiskit Runtime

Qiskit Runtime to przenośna, bezpieczna, skonteneryzowana architektura, która uruchamia programy kwantowe na klasycznej jednostce obliczeniowej ściśle zintegrowanej z procesorem kwantowym. Qiskit Runtime pozwala komputerowi kwantowemu stać się częścią dowolnego środowiska obliczeniowego w celu przyspieszenia obliczeń — podobnie jak procesor graficzny (GPU) — i obsługuje orkiestrację zadań oraz przesyłanie danych do kwantowej jednostki przetwarzającej, maksymalizując wydajność.

Qiskit i Qiskit Runtime ułatwiają szybkie orkiestrowanie programów na różnych zasobach obliczeniowych w chmurze. IBM buduje middleware dla obliczeń kwantowych, aby maksymalizować wydajność aplikacji kwantowych działających na zrównoleglonych, chmurowych, kwantowych i klasycznych zasobach obliczeniowych. Ten middleware obejmuje zestaw narzędzi do splotu obwodów (circuit knitting toolbox) oraz naszą architekturę quantum serverless.

Dodatek Qiskit do cięcia obwodów umożliwia programistom cięcie dużych obwodów na mniejsze obwody, odpowiednie dla obecnych komputerów kwantowych. Splot obwodów (circuit knitting) wykorzystuje obliczenia klasyczne do przejęcia części obciążenia obliczeniowego obwodu kwantowego, aby przekroczyć to, co można osiągnąć samodzielnie jednym z tych podejść. Dodatkowe narzędzia pomagają rekonstruować obwody przy użyciu zasobów klasycznych i zszywać ostateczne wyniki.

Quantum Serverless to wielochmurowy zestaw narzędzi do orkiestracji, łączący elastyczne zasoby klasyczne z usługą IBM Qiskit Runtime. Quantum serverless pozwala programistom skupić się na kodzie, a nie na udostępnianiu zasobów.

Nadprzewodzące komputery kwantowe IBM

Procesory kwantowe IBM wykorzystują fizyczny typ kubitu zwany nadprzewodzącym kubitem transmonowym, który jest wykonany z materiałów nadprzewodzących naniesionych na podłoże krzemowe. Inne procesory kwantowe mogą używać kubitów fotonicznych, wykonanych z pojedynczych fotonów światła, lub kubitów na pułapkowanych jonach, które przechowują informacje w naładowanych cząstkach atomowych. Aby ułatwić przepływ prądu elektrycznego, kubity nadprzewodzące muszą być utrzymywane w ekstremalnie niskich temperaturach — bliskich zera bezwzględnego.

Procesor 127-kubitowy IBM

Wydajność obliczeń kwantowych

Pomiar wydajności obliczeń kwantowych

Uniwersalny, odporny na błędy komputer kwantowy to wielkie wyzwanie obliczeń kwantowych. Jest to urządzenie, które może prawidłowo wykonywać uniwersalne operacje kwantowe przy użyciu zawodnych komponentów. Dzisiejsze komputery kwantowe nie są odporne na błędy.

Aby porównywać komputery kwantowe ze sobą, liczba kubitów nie jest wystarczająca. Należy wziąć pod uwagę wiele innych szczegółów, takich jak współczynniki błędów i sposób okablowania systemu. Istnieją cztery kluczowe metryki pomiaru wydajności obliczeń kwantowych:

• Skala — mierzona liczbą kubitów, która wskazuje ilość informacji, jaką możemy zakodować w komputerze kwantowym.
• Jakość — mierzona Quantum Volume (objętością kwantową), która wskazuje jakość obwodów i jak wiernie obwody są implementowane w sprzęcie.
• Szybkość — mierzona CLOPS (Circuit Layer Operations Per Second), co wskazuje, ile obwodów można uruchomić na sprzęcie w danym czasie.
• Wierność warstwy — mierzona EPLG (Errors Per Layered Gate), która opisuje, jak powstają błędy, gdy wykonywane są operacje na kubitach.

Bardziej szczegółowy opis niektórych z powyższych metryk można znaleźć w tym artykule na blogu IBM Research. Każdy etap adopcji obliczeń kwantowych w przemyśle jest napędzany przez zwiększanie Quantum Volume, która jest obliczana przy użyciu różnych parametrów, takich jak szerokość obwodu, łączność kubitów i współczynniki błędów.

Techniczna definicja Quantum Volume jest trudna do przekazania bez równań. Dario Gil, dyrektor ds. badań w IBM, wyjaśnia:

Aby lepiej zrozumieć Quantum Volume, rozważ następującą interesującą analogię. Poniższa sekcja omawia czas, przestrzeń i współczynniki błędów w kontekście zwiedzania Nowego Jorku.

Zwiedzanie stanów Quantum Volume

Quantum Volume opisuje największą kwantową przestrzeń obliczeniową, jaką może eksplorować komputer kwantowy, gdzie objętość przestrzeni kwantowej wynosi 2^N, przy czym N to liczba kubitów, czyli zwykły wymiar przestrzeni stanów. Celowo używamy tutaj słowa „przestrzeń”, ponieważ gdy już wspomnimy o przestrzeni, łatwo pomyśleć o objętości.

Czynnikiem ograniczającym tę eksplorację jest współczynnik błędów. Współczynnik błędów można utożsamiać z ilością czasu, jaki możemy przeznaczyć na eksplorację przestrzeni. Więcej błędów oznacza mniej czasu na eksplorację. Im większą przestrzeń obliczeniową mamy, tym więcej czasu potrzeba, aby w pełni ją zgłębić, a zatem potrzebujemy komputera kwantowego o mniejszym współczynniku błędów.

Rozważ turystę zwiedzającego Nowy Jork. Turysta chce zwiedzić całe miasto, co oznacza, że chce osiągnąć objętość turystyczną równą wielkości NYC. Jeśli damy turyście tylko jeden dzień, nie ma sposobu, aby zwiedzić tak dużą przestrzeń, więc turysta nie osiąga pożądanej objętości turystycznej. Jednak gdybyśmy dali turyście trzy dni, to turysta prawdopodobnie mógłby odwiedzić wszystkie najważniejsze miejsca i osiągnąć wymaganą objętość turystyczną NYC.

A teraz, co jeśli damy turyście więcej czasu, ale nadal ograniczymy przestrzeń do NYC? Innymi słowy, co jeśli utrzymamy liczbę kubitów taką samą, ale zmniejszymy współczynnik błędów? Wtedy nie ma korzyści dla turysty, ponieważ turysta już zwiedził miasto i po prostu odwiedza te same miejsca w kółko. Objętość turystyczna pozostaje taka sama. Zamiast tego, mając więcej czasu, mądrzej jest, aby turysta rozszerzył liczbę miejsc do odwiedzenia.

Lub załóżmy, że utrzymujemy czas ustalony na trzy dni, ale turysta decyduje się spróbować zwiedzić całe NYC i Long Island? Innymi słowy, co jeśli ustalimy współczynnik błędów, ale dodamy więcej kubitów? Ponownie, objętość turystyczna pozostaje taka jak NYC, ponieważ turysta nie może zwiedzić większej przestrzeni w przydzielonym czasie. Tak więc bycie lepszym turystą i osiąganie większej objętości turystycznej wymaga jednoczesnego zwiększania przestrzeni do zwiedzania i ilości czasu, jaki turysta ma na eksplorację.

Dokładnie w ten sam sposób budowanie lepszych komputerów kwantowych osiągających większe Quantum Volume wymaga jednoczesnego zwiększania kwantowej przestrzeni obliczeniowej (liczby kubitów) przy jednoczesnym zmniejszaniu współczynnika błędów (zwiększaniu ilości czasu, przez który algorytm może działać). Na przykład, dzięki postępom w architekturach przestrajalnego sprzęgania, IBM podwoił Quantum Volume dwukrotnie w ciągu zaledwie jednego roku!

Jednak w miarę rozwoju obliczeń kwantowych zaczynamy coraz bardziej dbać o użyteczną pracę, jaką nasze komputery kwantowe mogą wykonać w rozsądnym czasie. Jeśli mierzymy skalę liczbą kubitów, a jakość — Quantum Volume, to szybkość przetwarzania kwantowego jest miarą użytecznej pracy, jaką te kubity mogą wykonać w rozsądnym czasie. Definiujemy ją jako liczbę pierwotnych obwodów, które mogą być przetworzone w ciągu sekundy. Jest to podobne do FLOPS w obliczeniach klasycznych — liczby operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę. Poprawa szybkości QPU jest kluczem do praktycznych obliczeń kwantowych. Podobnie jak programowanie klasycznych komputerów, programowanie kwantowe wymaga uruchamiania wielu obwodów. Rozsądna szybkość QPU pozwoli użytkownikom włączyć obliczenia kwantowe jako część swoich przepływów pracy.

Sprawdź swoje zrozumienie

Przeczytaj poniższe pytanie, zastanów się nad odpowiedzią, a następnie kliknij trójkąt, aby odsłonić rozwiązanie.

Prawda czy fałsz: Quantum Volume odnosi się do rozmiaru lodówek kriogenicznych, w których mieszczą się komputery kwantowe IBM.

Fałsz. Quantum Volume to pojedyncza liczba, która ma obrazować wydajność dzisiejszych komputerów kwantowych.

Co dalej w obliczeniach kwantowych

Dzisiejsze komputery kwantowe, oraz te przewidywane w dającej się przewidzieć przyszłości, są zaszumione. Oznacza to, że są wrażliwe na zakłócenia środowiskowe, które mogą wpływać na wierność wyników. W podobny sposób, w jaki klasyczne obliczenia ewoluowały poprzez modułowe skalowanie procesorów, wydajne obliczenia i zrównoleglanie, widzimy, jak obliczenia kwantowe ewoluują, aby zrealizować swój pełny potencjał. W miarę jak pracujemy nad w pełni odpornymi na błędy komputerami kwantowymi, chcemy rozwiązywać użyteczne problemy za pomocą sprzętu i oprogramowania, które posiadamy obecnie.

Użyteczność kwantowa

IBM Quantum i Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley przedstawiły dowody, że komputery kwantowe mogą dostarczać wartości wcześniej niż oczekiwano, dzięki postępom w sprzęcie IBM Quantum i metodom łagodzenia błędów. Wykraczając poza sam dowód słuszności koncepcji, dostarczyliśmy wyniki dostatecznie dokładne, aby były użyteczne. Model obliczeń, który zbadaliśmy w tej pracy, jest podstawowym aspektem wielu algorytmów zaprojektowanych dla komputerów kwantowych bliskiej przyszłości.

Pętla sprzężenia zwrotnego między obliczeniami kwantowymi a klasycznymi jest kluczem do rozwoju technologii kwantowych. Skupiając się na użyteczności kwantowej, używamy metod kwantowych do badania złożonych problemów, które stanowią wyzwanie dla istniejących wysokowydajnych platform obliczeniowych, a następnie sprawdzamy wyniki klasycznie. Ta ciągła wymiana między obwodem kwantowym wykonującym złożone obliczenia a klasycznymi komputerami weryfikującymi wyniki kwantowe poprawi oba obszary obliczeniowe i da użytkownikom pewność co do możliwości komputerów kwantowych bliskiej przyszłości.

Opcjonalna lektura — kliknij trójkąt, aby przeczytać więcej o eksperymencie

• W tym eksperymencie wykorzystaliśmy wszystkie 127 kubitów naszego procesora IBM Quantum Eagle do symulacji zmieniającego się zachowania układu, który naturalnie odwzorowuje się na komputer kwantowy, zwanego kwantowym modelem Isinga. Modele Isinga są uproszczeniami natury, które reprezentują oddziałujące atomy jako sieć oddziałujących kwantowych układów dwuwyborowych w polu energetycznym. Układy te wyglądają bardzo podobnie do dwustanowych kubitów tworzących nasze komputery kwantowe, co czyni je dobrym dopasowaniem do testowania możliwości naszych metod. Użyliśmy ZNE, aby spróbować dokładnie obliczyć własność układu zwaną wartością oczekiwaną — zasadniczo ważoną średnią możliwych wyników obwodu.

• Równocześnie zespół z Berkeley próbował symulować ten sam układ przy użyciu metod sieci tensorowych z pomocą zaawansowanych superkomputerów zlokalizowanych w National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) w Lawrence Berkeley National Lab oraz na Uniwersytecie Purdue.

• Metody kwantowe nadal zgadzały się z metodami dokładnymi. Jednak w końcu klasyczne metody przybliżone zaczęły zawodzić, w miarę jak zwiększano trudność.

• Na koniec poprosiliśmy oba komputery o wykonanie obliczeń wykraczających poza to, co można obliczyć dokładnie — a komputer kwantowy zwrócił odpowiedź, co do której mieliśmy większą pewność, że jest poprawna. I chociaż nie możemy udowodnić, czy ta odpowiedź była faktycznie poprawna, sukces Eagle'a w poprzednich przebiegach eksperymentu dał nam pewność, że tak było.

Korekcja błędów

Korekcja błędów była kluczowym obszarem badań przez dziesięciolecia. Jednak przez większość tego czasu teoretyczne techniki korekcji błędów były niepraktyczne do wdrożenia na rzeczywistych komputerach kwantowych, najczęściej ze względu na bardzo dużą liczbę potrzebnych kubitów. Rzeczywiście, wielu ekspertów przewiduje, że praktyczne odporne na błędy obliczenia kwantowe (FTQC) będą wymagać milionów fizycznych kubitów. Jednak w niedawnym artykule opublikowanym na okładce Nature, badacze z IBM przedstawili nowy kod, który nazywamy kodem Grossa, który pokonuje to ograniczenie.

Artykuł High-threshold and low-overhead fault-tolerant quantum memory opisuje nowy kwantowy kod korekcji błędów, który jest około 10 razy bardziej wydajny od wcześniejszych metod w ochronie delikatnych danych kwantowych przed akumulacją błędów. Aby ocenić, jak bliżej jesteśmy teraz początków korekcji błędów, weź pod uwagę, że używając kodu Grossa, można chronić 12 logicznych kubitów przez około milion cykli sprawdzania błędów, używając 288 kubitów.

Nie oczekuje się, że korekcja błędów nagle zastąpi łagodzenie błędów i tłumienie błędów. Raczej, przez następne kilka lat, łagodzenie i tłumienie błędów będą nadal odgrywać kluczową rolę, obok rosnącej liczby kubitów z korekcją błędów.

Mapa drogowa rozwoju IBM Quantum

Jesteśmy teraz zdecydowanie w erze użyteczności kwantowej. Oznacza to, że komputery kwantowe są lepsze w obliczeniach kwantowych niż komputery klasyczne i mogą być wykorzystywane przez naszych użytkowników do odkrywania nowych algorytmów i poszukiwania przewag kwantowych. Nasza mapa drogowa przedstawia historyczne kamienie milowe i plany osiągnięcia przewagi kwantowej w najbliższej przyszłości do 2026 roku.

Do 2029 roku dostarczymy Starling — wielkoskalowy, odporny na błędy komputer kwantowy zdolny do uruchamiania obwodów kwantowych zawierających 100 milionów bramek kwantowych na 200 logicznych kubitach. Budujemy ten system właśnie teraz w naszym historycznym obiekcie w Poughkeepsie w stanie Nowy Jork. Dowiedz się więcej o naszych postępach w Guided Roadmap PDF.

Przeczytaj więcej o mapie drogowej rozwoju IBM Quantum tutaj.

Wyzwanie 5k

IBM współpracuje ze społecznością badań kwantowych, aby znaleźć potencjalne przypadki użycia, które mogłyby skorzystać z obliczeń kwantowych. Dostarczamy coraz potężniejsze narzędzia, aby użytkownicy mogli badać palące problemy za pomocą metod kwantowych. W 2024 roku wypuściliśmy narzędzie zdolne do obliczania nieobciążonych obserwabli długich, wysokiej jakości obwodów. Znalezienie tego, co można zrobić z tą kombinacją ponad 100 kubitów i głębokich obwodów, było kiedyś nazywane „wyzwaniem 100x100". Jednak dokładna liczba kubitów i głębokość każdego z nich są mniej ważne niż wykorzystanie mocy tej kombinacji. Wyobraź sobie, co jest możliwe z 5 000 obwodów kwantowych w jednym obliczeniu. Użytkownicy mogą uruchamiać obwody kwantowe o złożoności i czasie wykonania wykraczających poza możliwości najlepszych dzisiejszych komputerów klasycznych. Nie możemy się doczekać, co społeczność kwantowa zbuduje, aby pomóc nam wykorzystać moc obliczeń kwantowych i rozwiązać ważne problemy.

Superkomputery skoncentrowane na obliczeniach kwantowych

Wyjście poza procesory jednoukładowe jest kluczem do rozwiązywania problemów na dużą skalę. W 2024 roku wprowadziliśmy Crossbill, pierwszy pojedynczy procesor zbudowany z wielu układów. To pierwsze kroki na drodze do nowej ery skalowania, zapewniając jasną ścieżkę do 100 000 kubitów i dalej, z superkomputerami skoncentrowanymi na obliczeniach kwantowych. Jest to modułowa architektura obliczeniowa, która umożliwia skalowanie. Łączy komunikację kwantową i obliczenia, aby zwiększyć pojemność obliczeniową, jednocześnie wykorzystując hybrydowe oprogramowanie pośredniczące chmury, aby płynnie integrować przepływy pracy kwantowe i klasyczne.

Rozwiązywanie najbardziej złożonych problemów świata będzie wymagać połączenia zasobów klasycznych i kwantowych. Co więcej, będzie zależeć od kontynuowanej współpracy między przemysłem a środowiskiem akademickim.

Kluczowe wnioski

Możesz pamiętać o tych kluczowych wnioskach:

• Dzisiejsze komputery kwantowe nie są odporne na błędy.
• Quantum Volume to holistyczna miara tego, jak dobry jest komputer kwantowy. Im wyższy Quantum Volume, tym lepiej. Mówienie tylko o liczbie kubitów wprowadza w błąd.
• Aby mierzyć wydajność komputerów kwantowych, istnieją cztery kluczowe wskaźniki: skala, jakość, szybkość i wierność warstwy.
• Wspólny eksperyment IBM Quantum i UC Berkeley przedstawił dowody, że komputery kwantowe IBM dostarczają niezawodnych, dokładnych wyników dla trudnych problemów symulacyjnych w skali 127 kubitów.
• Superkomputery skoncentrowane na obliczeniach kwantowych oznaczają traktowanie obliczeń kwantowych jako jednego elementu szerszego paradygmatu HPC, w którym klasyczne i kwantowe działają jako jedna jednostka obliczeniowa.