Квантові технології IBM

Флот IBM® квантових комп'ютерів, 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 вимірювати продуктивність квантових обчислень, включно з масштабом, якістю та швидкістю.

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 IBM-квантових комп'ютерів, 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 IBM-квантових комп'ютерах.

Qiskit Runtime

Qiskit Runtime — це портативна, захищена, контейнеризована архітектура, що запускає квантові програми на класичному обчислювальному блоці, тісно інтегрованому з квантовим процесором. Qiskit Runtime 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 Qiskit Runtime спрощують швидку оркестрацію програм через обчислювальні ресурси в хмарі. IBM будує середнє програмне забезпечення для квантових технологій для максимізації продуктивності квантових застосувань, що працюють на паралелізованих, хмарних, квантових та класичних обчислювальних ресурсах. Це середнє програмне забезпечення включає набір інструментів для розрізання схем та архітектуру квантового безсерверного середовища.

Додаток Qiskit для розрізання схем дозволяє розробникам ділити великі схеми на менші, придатні для сучасних квантових комп'ютерів. Розрізання схем використовує класичне обчислення, щоб взяти на себе частину обчислювального навантаження квантової схеми, перевершуючи те, що ми можемо досягти лише з одним. 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 сервісом IBM Qiskit Runtime. Quantum Serverless дозволяє розробникам зосередитися на коді, а не на наданні ресурсів.

IBM надпровідні квантові комп'ютери

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 — це grand challenge квантових обчислень. Це пристрій, здатний належним чином виконувати універсальні квантові операції за допомогою ненадійних компонентів. Сьогоднішні квантові комп'ютери не є відмовостійкими.

Для порівняння квантових комп'ютерів між собою кількість кубітів не є достатньою. Потрібно враховувати багато інших деталей, таких як рівні помилок і спосіб під'єднання системи. Існує чотири ключові метрики для вимірювання продуктивності квантових обчислень:

• Масштаб — вимірюється кількістю кубітів, що вказує на обсяг інформації, яку ми можемо закодувати в квантовому комп'ютері.
• Якість — вимірюється Quantum Volume, що вказує на якість схем і точність реалізації схем в апаратному забезпеченні.
• Швидкість — вимірюється CLOPS (Circuit Layer Operations Per Second), що вказує на кількість схем, які можна запустити на апаратному забезпеченні за певний час.
• Шарова точність — вимірюється EPLG (Errors Per Layered Gate), що описує, як виникають помилки при виконанні операцій на кубітах.

Для більш детального опису деяких наведених метрик дивись цю статтю у блозі IBM Research. Кожен етап впровадження квантових обчислень у галузі визначається збільшенням Quantum Volume, що розраховується з різних параметрів, таких як ширина схеми, зв'язність кубітів та рівні помилок.

Технічне визначення Quantum Volume важко передати без рівнянь. Даріо Джил, Директор з досліджень IBM, пояснює:

Щоб краще зрозуміти Quantum Volume, розглянемо цікаву аналогію. Нижченаведений розділ охоплює час, простір та рівні помилок у термінах туру по Нью-Йорку.

Тур по просторах Quantum Volume

Quantum Volume описує найбільший квантовий обчислювальний простір, який квантовий комп'ютер може дослідити, де обсяг квантового простору становить 2^N, де N — кількість кубітів, тобто звичайний вимір простору станів. Ми навмисно використовуємо слово «простір», оскільки, як тільки ми його згадуємо, легко думати про об'єм.

Фактором, що обмежує цю дослідженість, є рівень помилок. Рівень помилок можна прирівняти до часу, дозволеного нам для дослідження простору. Більше помилок означає менше часу для дослідження. Чим більший обчислювальний простір, тим більше часу потрібно для його повного дослідження, і тому нам потрібен квантовий комп'ютер з меншим рівнем помилок.

Уявімо туриста, що досліджує Нью-Йорк. Турист хоче дослідити все місто, тобто хоче туристичний обсяг розміром з NYC. Якщо дати туристу лише один день, то немає жодного способу дослідити такий великий простір, і турист не отримає бажаного туристичного обсягу. Однак якщо дати туристу три дні, турист, мабуть, зможе відвідати всі топові місця та отримати необхідний туристичний обсяг NYC.

А що, якщо дати туристу більше часу, але все ще обмежити простір до NYC? Іншими словами, що, якщо залишити кількість кубітів незмінною, але зменшити рівень помилок? Тоді туристу це не принесе ніякої користі, оскільки турист вже дослідив місто і просто відвідує ті самі місця знову і знову. Туристичний обсяг залишається незмінним. Натомість, маючи більше часу, розумніше для туриста розширити кількість місць для відвідування.

Або уявімо, що час фіксований на три дні, але турист вирішує спробувати дослідити весь NYC та Лонг-Айленд? Тобто що, якщо зафіксувати рівень помилок, але додати більше кубітів? Знову ж туристичний обсяг залишається рівним NYC, оскільки турист не може дослідити більший простір за відведений час. Таким чином, бути кращим туристом та досягти більшого туристичного обсягу вимагає одночасного збільшення туристичного простору і кількості часу, дозволеного туристу для дослідження.

Точно так само побудова кращих квантових комп'ютерів, що досягають більшого Quantum Volume, вимагає одночасного збільшення квантового обчислювального простору (кількості кубітів) при зниженні рівня помилок (збільшенні часу роботи алгоритму). Наприклад, завдяки прогресу в архітектурах настроюваного зв'язку IBM подвоїв Quantum Volume двічі всього за один рік!

Однак, у міру розвитку квантових обчислень, ми починаємо більше дбати про корисну роботу, яку наші квантові комп'ютери можуть виконувати за розумний час. Якщо ми вимірюємо масштаб кількістю кубітів, а якість — квантовим обсягом, то швидкість квантового процесора — це міра корисної роботи, яку ці кубіти можуть виконати за розумний час. Ми визначаємо її як кількість примітивних схем, що можуть бути оброблені за секунду. Це схоже на FLOPS у класичних обчисленнях — кількість операцій з рухомою комою за секунду. Покращення швидкості QPU є ключем до практичних квантових обчислень. Як і класичне програмування, квантове програмування вимагає виконання багатьох схем. Розумна швидкість QPU дозволить користувачам включити квантові обчислення як частину своїх робочих процесів.

Перевір своє розуміння

Прочитай питання нижче, подумай над відповіддю, а потім натисни трикутник, щоб побачити рішення.

Правда чи хибність: Quantum Volume відноситься до розміру кріогенних холодильників, у яких розміщені IBM-квантові комп'ютери.

Хибність. Quantum Volume — це єдине число, призначене для узагальнення продуктивності сучасних квантових комп'ютерів.

Що далі у квантових обчисленнях

Сьогоднішні квантові комп'ютери і ті, що очікуються в найближчому майбутньому, є галасливими. 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 короткострокових квантових комп'ютерів.

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 короткострокових квантових комп'ютерів.

Необов'язкове читання — натисни на трикутник, 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 квантово-корегувальний код, 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 короткострокової квантової переваги 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 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 схемами 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.

Квантові суперкомп'ютери

Вихід за межі однопроцесорних процесорів 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 середнє 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.
• Quantum Volume — це цілісна міра якості квантового комп'ютера. Що вище Quantum Volume, то краще. Говорити лише про кількість кубітів — оманливо.
• Для вимірювання продуктивності квантових комп'ютерів існує чотири ключові метрики: масштаб, якість, швидкість і шарова точність.
• Спільний експеримент IBM Quantum і UC Berkeley представив докази того, що IBM-квантові комп'ютери 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.