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.

• Opisz, jak mierzona jest wydajność obliczeń kwantowych za pomocą metryk skali, jakości i szybkości. Rozpoznaj wspierające metryki benchmarkowe powszechnie stosowane w branży.

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.

IBM Quantum Compute Service (dawniej Qiskit Runtime Service)

IBM Quantum Compute Service to przenośna, bezpieczna, skonteneryzowana architektura, która uruchamia programy kwantowe na klasycznej jednostce obliczeniowej ściśle zintegrowanej z procesorem kwantowym. Quantum Compute 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 Quantum Compute 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 IBM Quantum Compute Service. 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 pozostaje jednym z wielkich wyzwań współczesnych obliczeń. Dzisiejsze komputery kwantowe nie są jeszcze w pełni odporne na błędy, więc zrozumienie ich wydajności wymaga uwzględnienia wielu czynników wykraczających poza samą liczbę kubitów.

IBM Quantum charakteryzuje wydajność obliczeń kwantowych za pomocą trzech podstawowych wymiarów:

• Skala: mierzona liczbą programowalnych kubitów, czyli kubitów, którymi użytkownicy mogą bezpośrednio sterować i włączać do algorytmów kwantowych.

• Jakość: mierzona za pomocą operacji na kubitach (QuOps), które wskazują, ile najbardziej wymagających obliczeniowo operacji komputer kwantowy może niezawodnie wykonać, zanim błędy przytłoczą obliczenia.

• Szybkość mierzona maksymalną liczbą obwodów na sekundę, co opisuje przepustowość obwodów systemu oraz ilość użytecznych obliczeń, jakie może wykonać w danym czasie.

Razem te metryki dają ogólny obraz możliwości obliczeniowych, skalowalności i wydajności komputera kwantowego w różnych technologiach sprzętowych i podejściach implementacyjnych.

Oprócz tych podstawowych metryk, w branży powszechnie stosuje się szereg wspierających metryk benchmarkowych:

Sprawdź swoje zrozumienie

Prawda czy fałsz: Moc komputera kwantowego jest determinowana przez liczbę posiadanych kubitów.

Odpowiedź

Fałsz. Jeśli komputer kwantowy ma wiele kubitów, ale niską przepustowość obwodów i słabą jakość, to informacja przechowywana na dowolnej liczbie kubitów ulegnie degradacji, zanim uda się uzyskać użyteczne wyniki. Moc komputera kwantowego zależy od skali, jakości i szybkości.

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 bramek 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.

• Trzy podstawowe wymiary oceny wydajności obliczeń kwantowych to: skala (programowalne kubity), jakość (operacje na kubitach) i szybkość (maksymalna liczba obwodów na sekundę).

• Dodatkowe benchmarki, takie jak Quantum Volume, CLOPS i EPLG, pozostają przydatne do zrozumienia konkretnych charakterystyk sprzętu i obciążeń roboczych.

• 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.