Tehnologia cuantică IBM

Flota de calculatoare cuantice IBM®, toate cu cel puțin 127 de qubiți, este cea mai mare din lume. Aceste calculatoare cuantice folosesc qubiți transmon supraconductori, care nu sunt singurul tip de qubit, dar care au multe avantaje. Combinând calculatoarele noastre cuantice de clasă mondială cu Qiskit, le permite utilizatorilor noștri să exploreze modul în care calculul cuantic poate fi util în lume, astăzi. Partenerii din industrie și cercetătorii folosesc tehnologia IBM Quantum® pentru a explora calcule semnificative și aplicații realiste. Hai să explorăm gama de programe și servicii pe care IBM Quantum le oferă partenerilor.

Dacă faci parte dintr-o instituție care este membră a IBM Quantum Network, asigură-te că iei legătura cu grupul de calculație cuantică al instituției tale pentru a determina la ce beneficii ai acces.

Obiective de învățare

Până la sfârșitul acestui modul, ar trebui să poți:

• Recunoaște că rezolvarea problemelor semnificative va implica o combinație de resurse cuantice și clasice.
• Identifica hardware-ul, software-ul și serviciile disponibile pentru rezolvarea problemelor semnificative.
• Descrie cum se măsoară performanța calculului cuantic, inclusiv scara, calitatea și viteza.

IBM Quantum Platform

IBM Quantum Platform oferă o suită de instrumente de calcul cuantic care reunește toate resursele de cercetare și dezvoltare de care utilizatorii au nevoie pentru a face o muncă excelentă, într-un singur loc. Utilizatorii pot crea un cont și se pot autentifica pentru a obține acces la calculatoarele cuantice IBM, a vizualiza detaliile calculatorului, a urmări sarcinile de lucru și a accesa material de asistență în Documentație și Învățare.

• Pagina de start servește drept punct de plecare principal pentru ecosistemul de produse, unde utilizatorii pot obține cheile lor API, pot vizualiza un rezumat al instanțelor și informațiilor de utilizare, pot vedea detaliile joburilor recente și pot accesa linkuri utile către alte locuri din platformă.
• Documentația agregează documentația Qiskit, documentația serviciilor și informațiile de referință API într-un singur loc, organizate într-un mod care susține fluxurile de lucru naturale ale utilizatorilor.
• Învățarea este locul pentru material educațional, inclusiv cursuri și module de predare, și editorul interactiv Circuit Composer (în curând). Această combinație de editor grafic și de cod le permite utilizatorilor să prototipeze, simuleze și depaneze circuite vizual, apoi să le ruleze pe calculatoarele cuantice IBM.

Qiskit Runtime

Qiskit Runtime este o arhitectură portabilă, sigură și containerizată care rulează programe cuantice pe o unitate de calcul clasică integrată strâns cu procesorul cuantic. Qiskit Runtime permite calculatorului cuantic să devină parte din orice mediu de calcul pentru a accelera calculul — similar cu o unitate de procesare grafică (GPU) — și gestionează orchestrarea joburilor și transferul de date către unitatea de procesare cuantică, maximizând eficiența.

Qiskit și Qiskit Runtime fac simplu să orchestrezi rapid programe pe resurse de calcul din cloud. IBM construiește middleware pentru calcul cuantic pentru a maximiza performanța aplicațiilor cuantice care rulează pe resurse de calcul cuantice și clasice paralele, bazate pe cloud. Acest middleware include setul de instrumente de circuit knitting și arhitectura noastră de calcul serverless cuantic.

Extensia Qiskit pentru circuit cutting le permite dezvoltatorilor să taie circuite mari în circuite mai mici potrivite pentru calculatoarele cuantice actuale. Circuit knitting folosește calculul clasic pentru a prelua o parte din sarcina de calcul a unui circuit cuantic pentru a depăși ceea ce putem realiza cu oricare dintre ele separat. Instrumente suplimentare ajută la reconstruirea circuitelor cu resurse clasice și la unirea rezultatelor finale.

Quantum Serverless este un set de instrumente de orchestrare multi-cloud pentru a conecta resursele clasice elastice cu serviciul IBM Qiskit Runtime. Quantum serverless le permite dezvoltatorilor să se concentreze pe cod, mai degrabă decât pe provizionarea resurselor.

Calculatoare cuantice supraconductoare IBM

Procesoarele cuantice IBM folosesc un tip fizic de qubit numit qubit transmon supraconductor, care este fabricat din materiale supraconductoare modelate pe un substrat de siliciu. Alte procesoare cuantice ar putea folosi qubiți fotonici, care sunt fabricați din fotoni unici de lumină, sau qubiți cu ioni captivi, care stochează informații în particule atomice încărcate. Pentru a facilita fluxul de curent electric, qubiții supraconductori trebuie menținuți la temperaturi extrem de scăzute — aproape de zero absolut.

Procesor IBM cu 127 de qubiți

Performanța calculului cuantic

Măsurarea performanței calculului cuantic

Un calculator cuantic universal tolerant la erori este marea provocare a calculului cuantic. Este un dispozitiv care poate efectua corect operații cuantice universale folosind componente nesigure. Calculatoarele cuantice de astăzi nu sunt tolerante la erori.

Pentru a compara calculatoarele cuantice între ele, numărul de qubiți nu este suficient. Trebuie luate în considerare multe alte detalii, cum ar fi ratele de eroare și modul în care sistemul este conectat. Există patru metrici cheie pentru măsurarea performanței calculului cuantic:

• Scară - Măsurată prin numărul de qubiți, care indică cantitatea de informații pe care o putem codifica în calculatorul cuantic.
• Calitate - Măsurată prin Quantum Volume, care indică calitatea circuitelor și cât de fidel sunt implementate circuitele în hardware.
• Viteză - Măsurată prin CLOPS (Circuit Layer Operations Per Second), care indică câte circuite pot rula pe hardware într-un interval de timp dat.
• Fidelitatea nivelului - Măsurată prin EPLG (Errors Per Layered Gate), care descrie cum apar erorile atunci când operațiile sunt efectuate pe qubiți.

Pentru o descriere mai detaliată a unora dintre metricile de mai sus, consultă acest articol de pe IBM Research Blog. Fiecare fază în adoptarea calculului cuantic în industrie este determinată de creșterea Quantum Volume, care este calculat folosind diverși parametri, cum ar fi lățimea circuitului, conectivitatea qubiților și ratele de eroare.

Definiția tehnică a Quantum Volume este greu de comunicat fără ecuații. Dario Gil, Director de Cercetare la IBM, explică:

Pentru a înțelege mai bine Quantum Volume, ia în considerare următoarea analogie interesantă. Secțiunea de mai jos acoperă timpul, spațiul și ratele de eroare în termenii unui tur al orașului New York.

Explorând stările Quantum Volume

Quantum Volume descrie cel mai mare spațiu de calcul cuantic pe care un calculator cuantic îl poate explora, unde volumul spațiului cuantic este 2^N, N fiind numărul de qubiți, adică dimensiunea obișnuită a spațiului de stări. Folosim intenționat cuvântul „spațiu" aici, deoarece odată ce menționăm spațiul, este simplu să ne gândim la un volum.

Factorul care limitează această explorare este rata de eroare. Rata de eroare poate fi echivalată cu timpul de care dispunem pentru a explora spațiul. Mai multe erori înseamnă mai puțin timp pentru explorare. Cu cât spațiul de calcul este mai mare, cu atât durează mai mult să-l explorezi complet, și astfel avem nevoie de un calculator cuantic cu o rată de eroare mai mică.

Să ne gândim la un turist care explorează New York City. Turistul vrea să exploreze tot orașul, adică vrea un volum turistic de dimensiunea NYC. Dacă îi oferim turistului o singură zi, nu există nicio modalitate de a explora atât de mult spațiu, deci turistul nu obține volumul turistic dorit. Totuși, dacă îi oferim turistului trei zile, atunci turistul ar putea probabil să viziteze toate punctele de interes principale și să obțină volumul turistic necesar pentru NYC.

Acum, ce se întâmplă dacă îi oferim turistului mai mult timp, dar restricționăm în continuare spațiul la NYC? Cu alte cuvinte, ce se întâmplă dacă păstrăm numărul de qubiți constant, dar reducem rata de eroare? Atunci nu există niciun beneficiu pentru turist, deoarece acesta a explorat deja orașul și vizitează aceleași locuri din nou și din nou. Volumul turistic rămâne același. În schimb, cu mai mult timp disponibil, este mai inteligent ca turistul să extindă numărul de locuri de vizitat.

Sau, să presupunem că păstrăm timpul fix la trei zile, dar turistul decide să încerce să exploreze tot NYC-ul și Long Island? Cu alte cuvinte, ce se întâmplă dacă fixăm rata de eroare, dar adăugăm mai mulți qubiți? Din nou, volumul turistic rămâne cel al NYC, deoarece turistul nu poate explora spațiul mai mare în timpul alocat. Astfel, pentru a fi un turist mai bun și a obține un volum turistic mai mare, este necesar să crești simultan spațiul de explorare și timpul de care dispune turistul.

Exact la fel, construirea unor calculatoare cuantice mai bune care ating Quantum Volume-uri mai mari necesită creșterea simultană a spațiului de calcul cuantic (numărul de qubiți), reducând în același timp rata de eroare (crescând timpul în care algoritmul poate rula). De exemplu, prin progrese în arhitecturile de cuplare reglabilă, IBM a dublat Quantum Volume de două ori în doar un an!

Totuși, pe măsură ce calculul cuantic evoluează, începem să ne preocupăm mai mult de munca utilă pe care calculatoarele noastre cuantice o pot realiza într-un timp rezonabil. Dacă măsurăm scara prin numărul de qubiți și calitatea prin Quantum Volume, atunci viteza de procesare cuantică este măsura muncii utile pe care acei qubiți o pot face într-un timp rezonabil. O definim ca numărul de circuite primitive care pot fi procesate pe secundă. Este similar cu FLOPS în calculul clasic — numărul de operații în virgulă mobilă pe secundă. Îmbunătățirea vitezei QPU este cheia pentru calculul cuantic practic. Ca și în programarea clasică, programarea cuantică necesită rularea multor circuite. O viteză QPU rezonabilă le va permite utilizatorilor să incorporeze calculul cuantic ca parte a fluxurilor lor de lucru.

Verifică-ți înțelegerea

Citește întrebarea de mai jos, gândește-te la răspuns, apoi dă clic pe triunghi pentru a dezvălui soluția.

Adevărat sau fals: Quantum Volume se referă la dimensiunea frigiderelor criogenice care adăpostesc calculatoarele cuantice IBM.

Fals. Quantum Volume este un singur număr menit să sintetizeze performanța calculatoarelor cuantice de astăzi.

Ce urmează în calculul cuantic

Calculatoarele cuantice de astăzi, și cele preconizate pentru viitorul previzibil, sunt zgomotoase. Asta înseamnă că sunt sensibile la perturbațiile din mediu, care pot afecta fidelitatea rezultatelor. Într-un mod similar cu cel în care calculul clasic a evoluat prin scalarea modulară a procesoarelor, calcul eficient și paralelizare, vedem calculul cuantic evoluând pentru a-și realiza întregul potențial. Pe măsură ce lucrăm spre calculatoare cuantice complet tolerante la erori, vrem să rezolvăm probleme utile cu hardware-ul și software-ul pe care le avem astăzi.

Utilitate cuantică

IBM Quantum și Universitatea din California, Berkeley au prezentat dovezi că calculatoarele cuantice pot oferi valoare mai devreme decât se anticipase, datorită progreselor în hardware-ul IBM Quantum și metodelor de diminuare a erorilor. Dincolo de un simplu experiment demonstrativ, am livrat rezultate suficient de precise pentru a fi utile. Modelul de calcul explorat în cadrul acestei lucrări reprezintă o componentă esențială a multor algoritmi proiectați pentru calculatoarele cuantice de generație apropiată.

Bucla de feedback dintre cuantic și clasic este esențială pentru avansarea tehnologiilor cuantice. Cu accent pe utilitatea cuantică, folosim calculul cuantic pentru a sonda probleme complexe care depășesc capacitățile cadrelor de calcul performante existente, verificând ulterior rezultatele clasic. Acest du-te-vino continuu — în care calculatorul cuantic rulează un circuit complex, iar computerele clasice verifică rezultatele cuantice — va îmbunătăți ambele domenii computaționale și va oferi utilizatorilor încredere în capacitățile calculatoarelor cuantice de generație apropiată.

Lectură opțională — apasă pe triunghi pentru a citi mai multe despre experiment

• În acest experiment, am utilizat toți cei 127 de qubiți ai procesorului nostru IBM Quantum Eagle pentru a simula comportamentul în schimbare al unui sistem ce se mapează în mod natural pe un calculator cuantic, numit modelul Ising cuantic. Modelele Ising sunt simplificări ale naturii care reprezintă atomi care interacționează ca o rețea de sisteme cuantice cu două stări ce interacționează într-un câmp energetic. Aceste sisteme seamănă foarte mult cu qubiții cu două stări care alcătuiesc calculatoarele noastre cuantice, ceea ce le face potrivite pentru testarea capacităților metodelor noastre. Am folosit ZNE pentru a încerca să calculăm cu precizie o proprietate a sistemului numită valoarea sa de așteptare — esențial o medie ponderată a rezultatelor posibile ale circuitului.

• Simultan, echipa din Berkeley a încercat să simuleze același sistem folosind metode de rețea tensorială cu ajutorul supercomputerelor avansate de la Centrul Național de Calcul Științific pentru Cercetare Energetică (NERSC) al Laboratorului Național Lawrence Berkeley și de la Universitatea Purdue.

• Metodele cuantice au continuat să fie în acord cu metodele exacte. Dar, în cele din urmă, metodele clasice de aproximare au început să eșueze pe măsură ce dificultatea a crescut.

• În final, am rugat ambele computere să ruleze calcule dincolo de ceea ce putea fi calculat exact — iar calculatorul cuantic a returnat un răspuns în care am avut mai multă încredere că este corect. Și deși nu putem dovedi dacă acel răspuns a fost cu adevărat corect, succesul lui Eagle în rulările anterioare ale experimentului ne-a dat încredere că era.

Corectarea erorilor

Corectarea erorilor a fost un domeniu cheie de cercetare de câteva decenii. Dar pentru cea mai mare parte a acestui timp, tehnicile teoretice de corectare a erorilor au fost impracticabile de implementat pe calculatoare cuantice reale, cel mai adesea din cauza numărului foarte mare de qubiți necesari. Într-adevăr, mulți experți estimează că calculul cuantic tolerant la erori în mod practic (FTQC) va necesita milioane de qubiți fizici. Dar într-un articol recent publicat pe coperta revistei Nature, cercetători de la IBM au introdus un nou cod, pe care îl numim codul Gross, care depășește această limitare.

Articolul High-threshold and low-overhead fault-tolerant quantum memory descrie noul cod de corectare a erorilor cuantice care este de aproximativ 10 ori mai eficient decât metodele anterioare în protejarea datelor cuantice delicate împotriva acumulării de erori. Pentru a înțelege cât de mult ne-am apropiat de începutul erei corecției erorilor, să luăm în considerare că, folosind codul Gross, poți proteja 12 qubiți logici pentru aproximativ un milion de cicluri de verificare a erorilor folosind 288 de qubiți.

Nu se preconizează că corectarea erorilor va înlocui brusc diminuarea și suprimarea erorilor. Dimpotrivă, în următorii câțiva ani, diminuarea și suprimarea erorilor vor continua să joace un rol esențial, alături de un număr tot mai mare de qubiți corectați de erori.

Foaia de parcurs pentru dezvoltarea IBM Quantum

Ne aflăm acum ferm în era utilității cuantice. Aceasta înseamnă că calculatoarele cuantice sunt mai bune la calculul cuantic decât calculatoarele clasice și pot fi folosite de utilizatorii noștri pentru a descoperi noi algoritmi și a căuta avantaje cuantice. Foaia noastră de parcurs prezintă etapele istorice și planurile de a obține avantaj cuantic pe termen scurt până în 2026.

Până în 2029, vom livra Starling — un calculator cuantic tolerant la erori la scară largă, capabil să ruleze circuite cuantice cuprinzând 100 de milioane de porți cuantice pe 200 de qubiți logici. Construim acest sistem chiar acum la facilitatea noastră istorică din Poughkeepsie, New York. Află mai multe despre progresele noastre în PDF-ul Foii de Parcurs Ghidate.

Citește mai multe despre foaia de parcurs pentru dezvoltarea IBM Quantum aici.

Provocarea 5k

IBM colaborează cu comunitatea de cercetare cuantică pentru a găsi potențiale cazuri de utilizare care ar putea beneficia de pe urma calculului cuantic. Oferim instrumente din ce în ce mai puternice pentru ca utilizatorii să poată explora probleme urgente cu ajutorul cuanticii. În 2024, am lansat un instrument capabil să calculeze observabile nebiasate ale unor circuite lungi și de înaltă calitate. Descoperirea a ceea ce se poate face cu această combinație de 100+ qubiți și circuite adânci a fost numită la un moment dat „provocarea 100x100". Dar numărul precis de qubiți și adâncimea fiecăruia contează mai puțin decât valorificarea puterii combinației. Imaginează-ți ce este posibil cu 5.000 de circuite cuantice într-un singur calcul. Utilizatorii pot rula circuite cuantice cu complexitate și timp de execuție dincolo de capacitățile celor mai bune calculatoare clasice de astăzi. Suntem entuziasmați să vedem ce va construi comunitatea cuantică pentru a ne ajuta să valorificăm puterea cuanticii și să rezolvăm probleme importante.

Supercalculatoare centrate pe cuantic

Depășirea procesoarelor cu un singur chip este cheia pentru rezolvarea problemelor la scară. În 2024, am introdus Crossbill, primul procesor unic construit din mai multe chipuri. Aceștia sunt primii pași spre inaugurarea unei noi ere de scalare, oferind o cale clară spre 100.000 de qubiți și dincolo de aceasta cu supercalculul centrat pe cuantic. Aceasta este o arhitectură de calcul modulară care permite scalarea. Combină comunicarea și calculul cuantic pentru a crește capacitatea de calcul, utilizând în același timp middleware cloud hibrid pentru a integra fără probleme fluxurile de lucru cuantice și clasice.

Rezolvarea celor mai complexe probleme ale lumii va necesita o combinație de resurse clasice și cuantice. Mai mult, va depinde de colaborarea continuă dintre industrie și mediul academic.

Concluzii cheie

Reține aceste concluzii cheie:

• Calculatoarele cuantice de astăzi nu sunt tolerante la erori.
• Quantum Volume este o măsură holistică a calității unui calculator cuantic. Cu cât Quantum Volume este mai mare, cu atât mai bine. A vorbi doar despre numărul de qubiți este înșelător.
• Pentru a măsura performanța calculatoarelor cuantice, există patru metrici cheie: scară, calitate, viteză și fidelitate la nivel de strat.
• Un experiment comun IBM Quantum–UC Berkeley a prezentat dovezi că calculatoarele cuantice IBM furnizează rezultate fiabile și precise pentru probleme de simulare dificile la o scară de 127 de qubiți.
• Supercalculul centrat pe cuantic înseamnă tratarea cuanticii ca pe o piesă dintr-o paradigmă HPC mai largă, în care clasicul și cuanticul funcționează ca o singură unitate de calcul.