Новый квантовый компьютер IBM теперь достаточно мощный для проведения полезных научных исследований, утверждают ученые, после того как компания сделала значительные улучшения в аппаратном и программном обеспечении своей квантовой системы.
Новая система состоит из двух частей: нового квантового процессора на 156 кубитов (QPU) под названием R2 IBM Heron (вторая версия чипа, выпущенного в прошлом году), и Qiskit — набора программных инструментов и алгоритмов, предназначенных для оптимизации производительности квантовых вычислений.
Результатом стало создание системы, способной выполнять задачи в 50 раз быстрее, чем предыдущие разработки, согласно данным бенчмаркинга. Для сравнения, в квантовом эксперименте IBM 2023 года, опубликованном в журнале Nature, самый мощный на тот момент квантовый компьютер компании в рамках теста потребовал для выполнения рабочих нагрузок 122 часа. Новая система с QPU R2 Heron справилась с теми же задачами всего за 2,4 часа.
Новые квантовые компьютеры, расположенные в дата-центрах IBM по всему миру, могут решать научные задачи в таких областях, как материалы, химия, бионауки, физика высоких энергий и других, заявили представители IBM.
«Достижения в области аппаратного обеспечения IBM Quantum и Qiskit позволяют нашим пользователям разрабатывать новые алгоритмы, в которых передовые квантовые и классические суперкомпьютерные ресурсы могут работать совместно, чтобы объединить их соответствующие сильные стороны», — сказал в своем заявлении Джей Гамбетта (Jay Gambetta), вице-президент IBM Quantum.
Квантовая обработка следующего поколения
QPU R2 Heron оснащен 156 кубитами, размещенными в плотной гексагональной решетке — топологической структуре, которую IBM использует для всех своих квантовых процессоров. Это позволяет системе надежно выполнять квантовые схемы, включающие до 5000 двухкубитных вентилей — почти в два раза больше, чем 2880 двухкубитных вентилей в квантовом эксперименте 2023 года, где использовался 127-кубитный процессор Eagle QPU.
Двухкубитные вентили являются ключом к раскрытию экспоненциальной мощности квантового компьютера — чем больше кубитов в системе, тем больше вычислений может выполняться параллельно. Однокубитные вентили позволяют каждому кубиту менять своё состояние, вращаться или переворачиваться, в то время как двухкубитные вентили работают с парами кубитов, используя законы квантовой механики для создания запутанности между ними. И хотя однокубитные вентили могут функционировать на базовом уровне, применение двухкубитных вентилей позволяет квантовому компьютеру выполнять гораздо более сложные расчеты.
Новый чип R2 Heron также оснащен технологией «смягчения воздействия двухуровневых систем», которая помогает снизить влияние помех от материалов, окружающих кубиты. Система также получила улучшения в программном обеспечении для коррекции ошибок — в частности, благодаря применению алгоритма смягчения тензорной сети ошибок (TEM) из набора инструментов Qiskit.
Дополнительные улучшения в программном обеспечении, включая запуск последнего поколения движка выполнения, оптимизацию перемещения данных и внедрение параметрической компиляции, позволяют системе достигать производительности до 150 тысяч операций на уровне слоев схем в секунду (CLOPS). Для сравнения, базовая производительность составляла всего 950 CLOPS в 2022 году и 37 тысяч CLOPS в начале этого года, когда впервые была введена оптимизация перемещения данных.
Квантово-центрические суперкомпьютеры
Представители IBM утверждают, что последние разработки помогают реализовать их концепцию «квантово-центрических» суперкомпьютеров, которые объединяют квантовые и классические компьютеры для достижения значимых результатов быстрее, чем при использовании только квантовых вычислений.
Это связано с тем, что гибридные системы могут выполнять рабочие нагрузки параллельно, разбивая сложные алгоритмы и распределяя их части между компонентами системы, для которых они наилучшим образом подходят. После решения этих частей программный уровень бесшовно объединяет задачи обратно.
Примером квантовоцентрических суперкомпьютеров в действии является RIKEN, научно-исследовательский центр в Японии. Используя метод под названием «Конфигурационное взаимодействие с квантовым выбором», описанный в статье, опубликованной в базе препринтов arXiv в 2023 году, ученые применяют квантовое оборудование для моделирования электронной структуры сульфидов железа.
Ученые из RIKEN также приступили к проекту по созданию гибридной платформы квантовых высокопроизводительных вычислений путем интеграции Fugaku, одного из самых быстрых суперкомпьютеров в мире, с локальным квантовым компьютером IBM System Two на базе QPU Heron.
