Квантові технології IBM

Парк квантових комп'ютерів IBM®, кожен із яких має принаймні 127 кубітів, є найбільшим у світі. Ці квантові комп'ютери використовують надпровідні трансмонні кубіти, які є не єдиним типом кубітів, але мають багато переваг. Поєднання наших квантових комп'ютерів світового рівня з Qiskit дозволяє нашим користувачам досліджувати, як квантові обчислення можуть бути корисними сьогодні. Галузеві партнери та дослідники використовують технологію IBM Quantum® для вивчення значущих обчислень та реалістичних застосувань. Розглянемо широкий спектр програм та послуг, що IBM Quantum пропонує партнерам.

Якщо ти є частиною установи, яка є членом IBM Quantum Network, обов'язково звернись до квантово-обчислювальної групи своєї установи, щоб дізнатися, до яких переваг ти маєш доступ.

Цілі навчання

До кінця цього модуля ти повинен вміти:

• Визнавати, що вирішення важливих задач передбачатиме поєднання квантових і класичних ресурсів.

• Визначати апаратне і програмне забезпечення та послуги, доступні для вирішення важливих задач.

• Описувати, як вимірюється продуктивність квантових обчислень за допомогою метрик масштабу, якості та швидкості. Розпізнавати допоміжні еталонні метрики, що зазвичай використовуються в галузі.

IBM Quantum Platform

IBM Quantum Platform надає набір квантових обчислювальних інструментів, що об'єднує всі дослідницькі та розробницькі ресурси, необхідні користувачам для продуктивної роботи, в одному місці. Користувачі можуть створити обліковий запис і увійти, щоб отримати доступ до квантових комп'ютерів IBM, переглядати деталі комп'ютерів, відстежувати навантаження та отримувати доступ до навчальних матеріалів у Документації та Навчанні.

• Головна сторінка є основною відправною точкою для екосистеми продуктів, де користувачі можуть отримати свої API-ключі, переглядати зведення своїх екземплярів та інформацію про використання, переглядати нещодавні деталі завдань та отримувати корисні посилання на інші місця платформи.

• Документація агрегує документацію Qiskit, документацію сервісів та довідкову інформацію API в одному місці, організованій таким чином, щоб підтримувати природні робочі процеси користувачів.

• Навчання — це домашня сторінка для навчальних матеріалів, включно з курсами та навчальними модулями, а також інтерактивним Circuit Composer (незабаром). Цей комбінований графічний і кодовий редактор дозволяє користувачам прототипувати, симулювати та налагоджувати схеми візуально, а потім запускати їх на квантових комп'ютерах IBM.

IBM Quantum Compute Service (раніше Qiskit Runtime Service)

IBM Quantum Compute Service — це портативна, захищена, контейнеризована архітектура, що запускає квантові програми на класичному обчислювальному блоці, тісно інтегрованому з квантовим процесором. Quantum Compute дозволяє квантовому комп'ютеру стати частиною будь-якого обчислювального середовища для прискорення обчислень — подібно до графічного процесора (GPU) — і обробляє оркестрацію завдань та передачу даних до квантового процесора, максимізуючи ефективність.

Qiskit та Quantum Compute спрощують швидку оркестрацію програм через обчислювальні ресурси в хмарі. IBM будує проміжне програмне забезпечення для квантових технологій для максимізації продуктивності квантових застосувань, що працюють на паралелізованих, хмарних, квантових та класичних обчислювальних ресурсах. Це проміжне програмне забезпечення включає набір інструментів для зшивання схем (circuit knitting) та архітектуру квантового безсерверного середовища.

Додаток Qiskit для розрізання схем дозволяє розробникам ділити великі схеми на менші, придатні для сучасних квантових комп'ютерів. Зшивання схем використовує класичне обчислення, щоб взяти на себе частину обчислювального навантаження квантової схеми і досягти більшого, ніж будь-який із цих ресурсів окремо. Додаткові інструменти допомагають реконструювати схеми з класичними ресурсами та зшивати кінцеві результати.

Quantum Serverless — це багатохмарний набір інструментів для оркестрації, що з'єднує еластичні класичні ресурси з IBM Quantum Compute Service. Quantum Serverless дозволяє розробникам зосередитися на коді, а не на наданні ресурсів.

Надпровідні квантові комп'ютери IBM

Квантові процесори IBM використовують фізичний тип кубіта під назвою надпровідний трансмонний кубіт, виготовлений із надпровідних матеріалів, нанесених на кремнієву підкладку. Інші квантові процесори можуть використовувати фотонні кубіти, виготовлені з окремих фотонів світла, або кубіти на основі іонних пасток, що зберігають інформацію у заряджених атомних частинках. Для полегшення протікання електричного струму надпровідні кубіти потрібно підтримувати при надзвичайно низьких температурах — близьких до абсолютного нуля.

IBM 127-кубітний процесор

Продуктивність квантових обчислень

Вимірювання продуктивності квантових обчислень

Універсальний відмовостійкий квантовий комп'ютер залишається однією з найбільших проблем сучасних обчислень. Сьогоднішні квантові комп'ютери ще не повністю відмовостійкі, тому розуміння їхньої продуктивності вимагає врахування кількох факторів, окрім самої кількості кубітів.

IBM Quantum характеризує продуктивність квантових обчислень за трьома фундаментальними вимірами:

• Масштаб: вимірюється кількістю програмованих кубітів, тобто кубітів, якими користувачі можуть безпосередньо керувати та включати їх до квантових алгоритмів.

• Якість: вимірюється кубітними операціями (QuOps), які вказують, скільки з найбільш обчислювально вимогливих операцій квантовий комп'ютер може надійно виконати, перш ніж помилки переважать обчислення.

• Швидкість вимірюється максимальною кількістю схем за секунду, що описує пропускну здатність системи щодо схем і обсяг корисних обчислень, які вона може виконати за певний час.

Разом ці метрики надають високорівневе уявлення про обчислювальну потужність, масштабованість та ефективність квантового комп'ютера в різних апаратних технологіях та підходах реалізації.

На додаток до цих основних метрик, у галузі широко використовується низка допоміжних еталонних метрик:

Перевір своє розуміння

Правда чи неправда: потужність квантового комп'ютера визначається кількістю кубітів, які він має.

Відповідь

Неправда. Якщо квантовий комп'ютер має багато кубітів, але низьку пропускну здатність схем і низьку якість, то інформація, збережена на будь-якій кількості кубітів, деградує до того, як можна буде отримати корисні результати. Потужність квантового комп'ютера залежить від масштабу, якості та швидкості.

Що далі у квантових обчисленнях

Сьогоднішні квантові комп'ютери і ті, що очікуються в найближчому майбутньому, є шумними (зашумленими). Це означає, що вони чутливі до зовнішніх збурень, які можуть вплинути на точність результатів. Подібно до того, як класичні обчислення еволюціонували через модульне масштабування процесорів, ефективні обчислення та паралелізацію, ми бачимо, що квантові обчислення еволюціонують для реалізації свого повного потенціалу. Поки ми просуваємось до повністю відмовостійких квантових комп'ютерів, ми хочемо вирішувати корисні задачі з апаратним і програмним забезпеченням, яке маємо сьогодні.

Квантова корисність

IBM Quantum та Університет Каліфорнії в Берклі представили докази того, що квантові комп'ютери можуть приносити цінність раніше, ніж очікувалося, завдяки досягненням в апаратному забезпеченні IBM Quantum та методах пом'якшення помилок. Виходячи за межі простого підтвердження концепції, ми отримали результати, достатньо точні, щоб бути корисними. Модель обчислень, яку ми дослідили в цій роботі, є ключовим аспектом багатьох алгоритмів, розроблених для квантових комп'ютерів найближчого майбутнього.

Петля зворотного зв'язку між квантовими та класичними є ключем до просування квантових технологій. Зосередившись на квантовій корисності, ми використовуємо квантові технології для дослідження складних задач, що кидають виклик існуючим фреймворкам HPC, а потім перевіряємо результати класично. Це постійне чергування між квантовими запусками складних схем та класичною перевіркою квантових результатів покращить обидві обчислювальні сфери та надасть користувачам впевненість у можливостях квантових комп'ютерів найближчого майбутнього.

Необов'язкове читання — розгорни, щоб дізнатися більше про експеримент

• У цьому експерименті ми використовували всі 127 кубітів нашого процесора IBM Quantum Eagle для симуляції поведінки системи, яка природним чином відображується на квантовий комп'ютер, що називається квантовою моделлю Ізинга. Моделі Ізинга — це спрощення природи, що представляють взаємодіючі атоми як решітку взаємодіючих квантових двохстанових систем в енергетичному полі. Ці системи дуже схожі на двостанові кубіти, що складають наші квантові комп'ютери, роблячи їх придатними для тестування наших методів. Ми використовували ZNE, щоб спробувати точно обчислити властивість системи, що називається математичним сподіванням — по суті, зважене середнє можливих результатів схеми.

• Одночасно команда Берклі намагалась симулювати ту саму систему, використовуючи методи тензорних мереж за допомогою передових суперкомп'ютерів, розташованих у Національному центрі енергетичних досліджень при Лоренсівській Берклійській національній лабораторії (NERSC) та в Університеті Пердью.

• Квантові методи продовжували узгоджуватися з точними методами. Але врешті-решт класичні приблизні методи почали давати збої, коли складність збільшувалась.

• Нарешті, ми попросили обидва комп'ютери провести обчислення, що виходять за межі точно обчислюваного — і квантовий комп'ютер повернув відповідь, якій ми більше довіряємо. І хоча ми не можемо довести, чи ця відповідь насправді правильна, попередні успіхи Eagle в експерименті давали нам впевненість у їх правильності.

Виправлення помилок

Виправлення помилок є ключовою галуззю досліджень протягом десятиліть. Але протягом більшої частини цього часу теоретичні методи виправлення помилок були непрактичними для реалізації на реальних квантових комп'ютерах, найчастіше через дуже велику кількість необхідних кубітів. Справді, багато експертів передбачають, що практичні відмовостійкі квантові обчислення (FTQC) вимагатимуть мільйонів фізичних кубітів. Але в недавній статті, опублікованій на обкладинці Nature, дослідники IBM представили новий код, який ми називаємо кодом Гросса, що долає це обмеження.

Стаття High-threshold and low-overhead fault-tolerant quantum memory описує новий квантовий код виправлення помилок, який приблизно в 10 разів ефективніший за попередні методи у захисті делікатних квантових даних від накопичення помилок. Щоб оцінити, наскільки ближче ми тепер до початку виправлення помилок, розглянемо, що за допомогою коду Гросса ти можеш захистити 12 логічних кубітів протягом приблизно мільйона циклів перевірки помилок, використовуючи 288 кубітів.

Не очікується, що виправлення помилок раптово замінить пом'якшення та придушення помилок. Скоріш, протягом наступних кількох років пом'якшення та придушення помилок продовжуватимуть відігравати ключову роль, поряд із збільшенням кількості кубітів з виправленням помилок.

Дорожня карта розвитку IBM Quantum

Зараз ми твердо в ері квантової корисності. Це означає, що квантові комп'ютери краще виконують квантові обчислення, ніж класичні комп'ютери, і можуть використовуватися нашими користувачами для відкриття нових алгоритмів та пошуку квантових переваг. Наша дорожня карта описує наші історичні досягнення та плани щодо досягнення квантової переваги у найближчій перспективі до 2026 року.

До 2029 року ми доставимо Starling — великомасштабний відмовостійкий квантовий комп'ютер, здатний виконувати квантові схеми, що складаються зі 100 мільйонів квантових вентилів на 200 логічних кубітах. Ми будуємо цю систему прямо зараз на нашому історичному об'єкті в Поукіпсі, Нью-Йорк. Дізнайся більше про наш прогрес у Керованому PDF дорожньої карти.

Дізнайся більше про дорожню карту розвитку IBM Quantum тут.

Виклик 5k

IBM працює разом із квантовою науковою спільнотою для пошуку потенційних варіантів використання, які могли б скористатися квантовими обчисленнями. Ми надаємо дедалі потужніші інструменти, щоб користувачі могли досліджувати нагальні задачі за допомогою квантових технологій. У 2024 році ми випустили інструмент, здатний обчислювати незміщені спостережувані довгих, високоякісних схем. Пошук того, що можна зробити з цією комбінацією 100+ кубітів та глибоких схем, колись називався «викликом 100x100». Але точна кількість кубітів та глибина кожного менш важлива, ніж використання сили комбінації. Уяви, що можливо з 5000 квантовими вентилями в одному обчисленні. ​Користувачі можуть запускати квантові схеми зі складністю та часом виконання, що перевищують можливості найкращих класичних комп'ютерів сьогодні. Ми з нетерпінням чекаємо побачити, що квантова спільнота побудує, щоб допомогти нам використати силу квантових технологій та вирішити важливі задачі.

Квантово-орієнтовані суперкомп'ютери

Вихід за межі однокристальних процесорів (процесорів на одному чипі) є ключем до вирішення задач у масштабі. У 2024 році ми представили Crossbill — перший одиночний процесор, виготовлений з кількох чіпів. Це перші кроки до нової ери масштабування, що надає чіткий шлях до 100 000 кубітів та більше за допомогою квантово-орієнтованого суперкомп'ютингу. Це модульна обчислювальна архітектура, яка уможливлює масштабування. Вона поєднує квантові комунікації та обчислення для збільшення обчислювальної потужності, використовуючи гібридне хмарне проміжне програмне забезпечення для безперешкодної інтеграції квантових і класичних робочих процесів.

Вирішення найскладніших задач у світі вимагатиме поєднання класичних та квантових ресурсів. Крім того, це залежатиме від продовження співпраці між промисловістю та академічними колами.

Ключові висновки

Можна мати на увазі ці ключові висновки:

• Сьогоднішні квантові комп'ютери не є відмовостійкими.

• Три основні виміри для оцінки продуктивності квантових обчислень: масштаб (програмовані кубіти), якість (кубітні операції) та швидкість (максимальна кількість схем за секунду).

• Додаткові еталонні тести, такі як Quantum Volume, CLOPS та EPLG, залишаються корисними для розуміння специфічних характеристик апаратного забезпечення та навантажень.

• Спільний експеримент IBM Quantum і UC Berkeley представив докази того, що квантові комп'ютери IBM забезпечують надійні, точні результати для складних задач симуляції у масштабі 127 кубітів.

• Квантово-орієнтований суперкомп'ютинг означає розгляд квантових технологій як однієї частини більш широкої парадигми HPC, де класичні та квантові технології працюють як одна обчислювальна одиниця.