Kvantové technologie IBM

Flotila kvantových počítačů IBM®, každý s alespoň 127 qubity, je největší na světě. Tyto kvantové počítače používají supravodivé transmonové qubity, které nejsou jediným druhem qubitu, ale mají mnoho výhod. Kombinace našich světově špičkových kvantových počítačů s Qiskit umožňuje našim uživatelům zkoumat, jak může být kvantové výpočetnictví dnes užitečné ve světě. Průmysloví partneři a výzkumníci využívají technologii IBM Quantum® k prozkoumávání smysluplných výpočtů a realistických aplikací. Pojďme se podívat na šíři programů a služeb, které IBM Quantum nabízí partnerům.

Pokud jsi součástí instituce, která je členem IBM Quantum Network, nezapomeň se obrátit na skupinu kvantového výpočetnictví ve své instituci a zjistit, k jakým výhodám máš přístup.

Výukové cíle

Po absolvování tohoto modulu bys měl/a být schopen/schopna:

• Uvědomit si, že řešení smysluplných problémů bude vyžadovat kombinaci kvantových a klasických zdrojů.

• Identifikovat hardware, software a služby dostupné k řešení smysluplných problémů.

• Popiš, jak se měří výkon kvantových výpočtů pomocí metrik škály, kvality a rychlosti. Rozpoznej podpůrné benchmarkové metriky běžně používané v celém oboru.

IBM Quantum Platform

IBM Quantum Platform poskytuje sadu nástrojů pro kvantové výpočetnictví, která sdružuje všechny výzkumné a vývojové zdroje, jež uživatelé potřebují k výborné práci, na jednom místě. Uživatelé si mohou vytvořit účet a přihlásit se, aby získali přístup ke kvantovým počítačům IBM, prohlédli si podrobnosti o počítačích, sledovali pracovní zátěž a měli přístup k podpůrným materiálům v dokumentaci a studijních zdrojích.

• Domovská stránka slouží jako primární výchozí bod pro ekosystém produktů, kde uživatelé mohou získat své API klíče, zobrazit přehled svých instancí a informace o využití, prohlédnout si podrobnosti o nedávných úlohách a přistupovat k užitečným odkazům na jiná místa napříč platformou.

• Dokumentace agreguje dokumentaci Qiskit, dokumentaci služeb a referenční informace k API na jedno místo, organizované způsobem, který podporuje přirozené pracovní postupy uživatelů.

• Learning je domovem pro vzdělávací materiály včetně kurzů a výukových modulů a interaktivního Circuit Composer (již brzy). Tato kombinace grafického a kódového editoru umožňuje uživatelům prototypovat, simulovat a ladit obvody vizuálně a poté je spouštět na kvantových počítačích IBM.

IBM Quantum Compute Service (dříve Qiskit Runtime Service)

IBM Quantum Compute Service je přenosná, bezpečná a kontejnerizovaná architektura, která spouští kvantové programy na klasické výpočetní jednotce těsně integrované s kvantovým procesorem. Quantum Compute umožňuje kvantovému počítači stát se součástí jakéhokoli výpočetního prostředí a urychlovat výpočty – podobně jako grafická procesorová jednotka (GPU) – a zajišťuje orchestraci úloh a přenos dat do kvantové procesorové jednotky, čímž maximalizuje efektivitu.

Qiskit a Quantum Compute zjednodušují rychlou orchestraci programů napříč výpočetními zdroji v cloudu. IBM buduje middleware pro kvantové výpočetnictví, aby maximalizoval výkon kvantových aplikací spuštěných napříč paralelizovanými, cloudovými, kvantovými a klasickými výpočetními zdroji. Tento middleware zahrnuje sadu nástrojů pro circuit knitting a naši architekturu quantum serverless.

Doplněk Qiskit pro circuit cutting umožňuje vývojářům rozdělit velké obvody na menší obvody vhodné pro současné kvantové počítače. Circuit knitting využívá klasické výpočty k převzetí části výpočetní zátěže kvantového obvodu, čímž překračuje to, čeho lze dosáhnout kterýmkoli z přístupů samostatně. Další nástroje pomáhají rekonstruovat obvody pomocí klasických zdrojů a spojit dohromady konečné výsledky.

Quantum Serverless je sada nástrojů pro vícecloudovou orchestraci, která propojuje elastické klasické zdroje s IBM Quantum Compute Service. Quantum serverless umožňuje vývojářům soustředit se na kód, nikoli na zřizování zdrojů.

Supravodivé kvantové počítače IBM

Kvantové procesory IBM používají fyzický typ qubitu nazvaný supravodivý transmonový qubit, který je vyroben ze supravodivých materiálů vzorovaných na křemíkovém substrátu. Jiné kvantové procesory mohou používat fotonické qubity, vyrobené z jednotlivých fotonů světla, nebo qubity s uvězněnými ionty, které ukládají informace v nabitých atomárních částicích. Aby byl umožněn tok elektrického proudu, musí být supravodivé qubity udržovány při extrémně nízkých teplotách – blízkých absolutní nule.

IBM 127-qubitový procesor

Výkon kvantového výpočetnictví

Měření výkonu kvantového výpočetnictví

Univerzální kvantový počítač s odolností vůči poruchám zůstává jednou z velkých výzev moderních výpočtů. Dnešní kvantové počítače ještě nejsou plně odolné vůči poruchám, takže pochopení jejich výkonu vyžaduje zvážení více faktorů než jen počtu qubitů.

IBM Quantum charakterizuje výkon kvantových výpočtů pomocí tří základních dimenzí:

• Škála: měřená programovatelnými qubity, tedy qubity, které mohou uživatelé přímo ovládat a začlenit do kvantových algoritmů.

• Kvalita: měřená qubitovými operacemi (QuOps), které udávají, kolik z nejnáročnějších výpočetních operací dokáže kvantový počítač spolehlivě provést, než chyby výpočet přemohou.

• Rychlost měřená maximálním počtem obvodů za sekundu, což popisuje propustnost obvodů systému a množství užitečných výpočtů, které dokáže provést za daný čas.

Společně tyto metriky poskytují ucelený pohled na výpočetní schopnosti, škálovatelnost a efektivitu kvantového počítače napříč hardwarovými technologiemi a implementačními přístupy.

Kromě těchto primárních metrik se v celém oboru široce používá řada podpůrných benchmarkových metrik:

Ověř si své znalosti

Pravda nebo lež: Síla kvantového počítače je určena počtem qubitů, které má.

Odpověď

Lež. Pokud má kvantový počítač mnoho qubitů, ale nízkou propustnost obvodů a špatnou kvalitu, informace uložené na libovolném počtu qubitů se rozpadnou dříve, než lze získat užitečné výsledky. Síla kvantového počítače závisí na škále, kvalitě a rychlosti.

Co nás čeká v kvantovém výpočetnictví

Dnešní kvantové počítače – a ty, které jsou očekávány v dohledné budoucnosti – jsou zašuměné. To znamená, že jsou citlivé na rušení z prostředí, jež může ovlivnit věrnost výsledků. Podobně jako se klasické výpočetnictví vyvíjelo modulárním škálováním procesorů, efektivní výpočty a paralelizací, vidíme, jak se kvantové výpočetnictví vyvíjí, aby dosáhlo svého plného potenciálu. Zatímco pracujeme na kvantových počítačích plně odolných vůči poruchám, chceme řešit užitečné problémy s hardwarem a softwarem, které máme k dispozici dnes.

Kvantová utilita

IBM Quantum a Kalifornská univerzita v Berkeley předložily důkazy, že kvantové počítače mohou přinést hodnotu dříve, než se očekávalo, díky pokrokům v hardwaru IBM Quantum a metodám zmírňování chyb. Nejen jako pouhý důkaz konceptu jsme dosáhli výsledků dostatečně přesných k tomu, aby byly užitečné. Model výpočtu, který jsme s touto prací prozkoumali, je klíčovou součástí mnoha algoritmů navržených pro kvantové počítače blízké budoucnosti.

Zpětná vazba mezi kvantovým a klasickým přístupem je klíčem k rozvoji kvantových technologií. Se zaměřením na kvantovou utilitu používáme kvantový přístup k prozkoumávání složitých problémů, které jsou výzvou pro stávající rámce vysoce výkonného výpočetnictví, a poté výsledky ověřujeme klasicky. Toto neustálé střídání – kdy kvantový počítač spouští složitý obvod a klasické počítače ověřují kvantové výsledky – zlepší obě výpočetní oblasti a poskytne uživatelům důvěru v schopnosti kvantových počítačů blízké budoucnosti.

Volitelné čtení — rozbal pro více informací o experimentu

• V tomto experimentu jsme použili všech 127 qubitů našeho procesoru IBM Quantum Eagle k simulaci měnícího se chování systému, který se přirozeně mapuje na kvantový počítač – tzv. kvantový Isingův model. Isingovy modely jsou zjednodušením přírody, která reprezentují vzájemně interagující atomy jako mřížku vzájemně interagujících kvantových dvoustavových systémů v energetickém poli. Tyto systémy se velmi podobají dvoustavovým qubitům, z nichž se skládají naše kvantové počítače, což z nich dělá dobré kandidáty pro testování schopností našich metod. Pomocí ZNE jsme se pokusili přesně vypočítat vlastnost systému zvanou očekávaná hodnota – v podstatě váženého průměru možných výsledků obvodu.

• Zároveň se tým z Berkeley pokusil simulovat stejný systém metodami tensorových sítí za pomoci výkonných superpočítačů umístěných v Národním centru pro výzkum energetiky (NERSC) v Lawrence Berkeley National Lab a na Purdue University.

• Kvantové metody se nadále shodovaly s přesnými metodami. Nakonec však klasické aproximační metody začaly selhávat, jak se obtížnost stupňovala.

• Nakonec jsme požádali oba počítače, aby prováděly výpočty nad rámec toho, co bylo možné přesně vypočítat – a kvantový počítač vrátil odpověď, o níž jsme byli přesvědčenější, že je správná. A přestože nemůžeme dokázat, zda byla tato odpověď skutečně správná, úspěch Eaglu v předchozích bězích experimentu nám dal důvěru, že tomu tak bylo.

Oprava chyb

Oprava chyb je klíčovou oblastí výzkumu po celá desetiletí. Po většinu té doby však byly teoretické techniky opravy chyb nepraktické pro implementaci na skutečných kvantových počítačích, nejčastěji kvůli velmi velkému počtu qubitů, které jsou potřeba. Mnoho odborníků skutečně předpovídá, že praktické kvantové výpočetnictví odolné vůči poruchám (FTQC) bude vyžadovat miliony fyzických qubitů. V nedávném článku publikovaném na obálce časopisu Nature však výzkumníci z IBM představili nový kód, který nazýváme Gross code, jenž toto omezení překonává.

Článek High-threshold and low-overhead fault-tolerant quantum memory popisuje nový kód pro opravu kvantových chyb, který je přibližně 10krát efektivnější než předchozí metody při ochraně citlivých kvantových dat před hromaděním chyb. Pro představu, o kolik blíže jsme nyní k začátku éry opravy chyb – s použitím Gross code lze chránit 12 logických qubitů přibližně milion cyklů kontrol chyb s využitím 288 qubitů.

Nečeká se, že oprava chyb náhle nahradí zmírňování a potlačování chyb. Spíše v průběhu příštích několika let budou zmírňování a potlačování chyb nadále hrát klíčovou roli, a to spolu s rostoucím počtem qubitů s opravou chyb.

Plán rozvoje IBM Quantum

Nyní jsme pevně v éře kvantové utility. To znamená, že kvantové počítače jsou lepší v kvantovém výpočetnictví než klasické počítače a naši uživatelé je mohou využívat k objevování nových algoritmů a hledání kvantových výhod. Náš plán popisuje naše historické milníky a plány k dosažení kvantové výhody v blízké budoucnosti do roku 2026.

Do roku 2029 dodáme Starling – velkorozměrný kvantový počítač odolný vůči poruchám, schopný spouštět kvantové obvody složené ze 100 milionů kvantových hradel na 200 logických qubitech. Tento systém právě budujeme v naší historické továrně v Poughkeepsie, New York. Více o našem pokroku se dozvíš v Průvodci plánem (PDF).

Více o plánu rozvoje IBM Quantum si přečti zde.

Výzva 5k

IBM spolupracuje s komunitou kvantového výzkumu na hledání potenciálních případů užití, které by mohly těžit z kvantového výpočetnictví. Poskytujeme stále výkonnější nástroje, aby uživatelé mohli zkoumat naléhavé problémy pomocí kvanta. V roce 2024 jsme vydali nástroj schopný vypočítat nestranné pozorovatelné hodnoty dlouhých, vysoce kvalitních obvodů. Hledání toho, co lze udělat s touto kombinací 100+ qubitů a hlubokých obvodů, se kdysi nazývalo „výzva 100x100". Přesný počet qubitů a hloubka v každém z nich je však méně důležitý než využití síly kombinace. Představ si, co je možné s 5 000 kvantovými hradly v jediném výpočtu. Uživatelé mohou spouštět kvantové obvody se složitostí a dobou běhu přesahující schopnosti nejlepších klasických počítačů dneška. Těšíme se, co kvantová komunita postaví, aby nám pomohla využít sílu kvanta a řešit důležité problémy.

Kvantově zaměřené superpočítače

Klíčem k řešení problémů ve velkém měřítku je překročit rámec jednočipových procesorů. V roce 2024 jsme představili Crossbill – první jednoprocesorový systém vyrobený z více čipů. To jsou první kroky k zahájení nové éry škálování, jež poskytuje jasnou cestu ke 100 000 qubitům a více díky kvantově zaměřenému superpočítání. Jedná se o modulární výpočetní architekturu, která umožňuje škálování. Kombinuje kvantovou komunikaci a výpočty ke zvýšení výpočetní kapacity, přičemž využívá hybridní cloudový middleware k bezproblémové integraci kvantových a klasických pracovních postupů.

Řešení nejsložitějších světových problémů bude vyžadovat kombinaci klasických a kvantových zdrojů. Navíc bude záviset na pokračující spolupráci mezi průmyslem a akademickou sférou.

Klíčová sdělení

Zapamatuj si tato klíčová sdělení:

• Dnešní kvantové počítače nejsou odolné vůči poruchám.

• Tři primární dimenze pro hodnocení výkonu kvantových výpočtů jsou: škála (programovatelné qubity), kvalita (qubitové operace) a rychlost (maximální počet obvodů za sekundu).

• Další benchmarky jako Quantum Volume, CLOPS a EPLG zůstávají užitečné pro pochopení konkrétních charakteristik hardwaru a pracovních zátěží.

• Společný experiment IBM Quantum a UC Berkeley předložil důkazy, že kvantové počítače IBM poskytují spolehlivé a přesné výsledky pro náročné simulační problémy při škále 127 qubitů.

• Kvantově zaměřené superpočítání znamená zacházet s kvantem jako s jednou součástí širšího paradigmatu HPC, kde klasické a kvantové výpočty fungují jako jedna výpočetní jednotka.