Teknologi IBM Quantum

Fleet komputer kuantum IBM®, semuanya dengan sekurang-kurangnya 127 qubit, adalah yang terbesar di dunia. Komputer kuantum ini menggunakan qubit transmon superkonduksi, yang bukan satu-satunya jenis qubit, tetapi mempunyai banyak kelebihan. Menggabungkan komputer kuantum bertaraf dunia kami dengan Qiskit membolehkan pengguna kami meneroka bagaimana pengkomputeran kuantum boleh berguna di dunia, hari ini. Rakan industri dan penyelidik menggunakan teknologi IBM Quantum® untuk meneroka pengiraan bermakna dan aplikasi realistik. Mari kita terokai pelbagai program dan perkhidmatan yang IBM Quantum tawarkan kepada rakan kongsi.

Jika Anda adalah sebahagian daripada institusi yang merupakan ahli IBM Quantum Network, pastikan untuk menghubungi kumpulan pengkomputeran kuantum institusi Anda untuk menentukan faedah apa yang Anda boleh akses.

Objektif pembelajaran

Menjelang akhir modul ini, Anda sepatutnya boleh:

• Mengenali bahawa menyelesaikan masalah bermakna akan melibatkan gabungan sumber kuantum dan klasikal.

• Mengenal pasti perkakasan, perisian, dan perkhidmatan yang tersedia untuk menyelesaikan masalah bermakna.

• Terangkan bagaimana prestasi pengkomputeran kuantum diukur menggunakan metrik skala, kualiti, dan kelajuan. Kenali metrik penanda aras sokongan yang biasa digunakan di seluruh industri.

IBM Quantum Platform

IBM Quantum Platform menyediakan suite alat pengkomputeran kuantum yang menyatukan semua sumber penyelidikan dan pembangunan yang diperlukan pengguna untuk bekerja dengan baik, dalam satu tempat. Pengguna boleh membuat akaun dan log masuk untuk mendapatkan akses ke komputer kuantum IBM, melihat butiran komputer, menjejak beban kerja, dan mengakses bahan pengupayaan dalam Dokumentasi dan Pembelajaran.

• Halaman utama berfungsi sebagai titik permulaan utama untuk ekosistem produk, di mana pengguna boleh mendapatkan kunci API mereka, melihat ringkasan tika dan maklumat penggunaan mereka, melihat butiran kerja terkini, dan mengakses pautan berguna ke tempat lain merentasi platform.

• Dokumentasi mengagregat dokumentasi Qiskit, dokumentasi perkhidmatan, dan maklumat rujukan API ke dalam satu lokasi, disusun dengan cara yang menyokong aliran kerja semula jadi pengguna.

• Pembelajaran adalah rumah bagi bahan pendidikan termasuk kursus dan modul pengajaran, serta Circuit Composer interaktif (akan datang). Gabungan penyunting grafik dan kod ini membolehkan pengguna membuat prototaip, mensimulasikan, dan menyahpepijat litar secara visual, kemudian menjalankannya pada komputer kuantum IBM.

IBM Quantum Compute Service (dahulunya Qiskit Runtime Service)

IBM Quantum Compute Service adalah seni bina berkontena yang mudah alih dan selamat yang menjalankan program kuantum pada unit pengkomputeran klasikal yang terintegrasi rapat dengan pemproses kuantum. Quantum Compute membolehkan komputer kuantum menjadi sebahagian daripada mana-mana persekitaran pengkomputeran untuk mempercepatkan pengiraan — serupa dengan unit pemproses grafik (GPU) — dan mengendalikan orkestra kerja dan pemindahan data ke unit pemprosesan kuantum, memaksimumkan kecekapan.

Qiskit dan Quantum Compute memudahkan untuk mengorkestra program dengan cepat merentasi sumber pengiraan di awan. IBM membina perisian tengah untuk kuantum bagi memaksimumkan prestasi aplikasi kuantum yang berjalan merentasi sumber pengiraan kuantum dan klasikal yang diparalelkan dan berasaskan awan. Perisian tengah ini termasuk kotak alat circuit knitting dan seni bina serverless kuantum kami.

Qiskit addon circuit cutting membolehkan pembangun memotong litar besar kepada litar yang lebih kecil yang sesuai untuk komputer kuantum semasa. Circuit knitting menggunakan pengiraan klasikal untuk mengambil alih sebahagian beban pengiraan litar kuantum bagi melampaui apa yang kita boleh capai dengan mana-mana sahaja. Alat tambahan membantu membina semula litar dengan sumber klasikal dan menyatukan hasil akhir.

Quantum Serverless adalah set alat orkestra berbilang awan untuk menghubungkan sumber klasikal elastik dengan IBM Quantum Compute Service. Quantum serverless membolehkan pembangun menumpukan pada kod, bukannya penyediaan sumber.

Komputer kuantum superkonduksi IBM

Pemproses kuantum IBM menggunakan jenis qubit fizikal yang dipanggil qubit transmon superkonduksi, yang dibuat daripada bahan superkonduksi yang dibentukkan pada substrat silikon. Pemproses kuantum lain mungkin menggunakan qubit fotonik, yang dibuat daripada foton cahaya tunggal, atau qubit ion terperangkap, yang menyimpan maklumat dalam zarah atom bermuatan. Untuk memudahkan aliran arus elektrik, qubit superkonduksi perlu dikekalkan pada suhu yang sangat rendah — hampir ke suhu mutlak sifar.

Pemproses IBM 127-qubit

Prestasi pengkomputeran kuantum

Mengukur prestasi pengkomputeran kuantum

Komputer kuantum fault-tolerant sejagat kekal sebagai salah satu cabaran besar pengkomputeran moden. Komputer kuantum hari ini masih belum sepenuhnya fault tolerant, jadi memahami prestasinya memerlukan pertimbangan pelbagai faktor selain daripada bilangan qubit sahaja.

IBM Quantum mencirikan prestasi pengkomputeran kuantum menggunakan tiga dimensi asas:

• Skala: diukur berdasarkan qubit boleh diprogram, iaitu qubit yang boleh dikawal secara langsung dan digabungkan ke dalam algoritma kuantum oleh pengguna.

• Kualiti: diukur berdasarkan operasi qubit (QuOps), yang menunjukkan berapa banyak operasi yang paling menuntut dari segi pengiraan yang boleh dilaksanakan dengan boleh dipercayai oleh komputer kuantum sebelum ralat menenggelamkan pengiraan tersebut.

• Kelajuan diukur berdasarkan bilangan maksimum litar per saat, yang menggambarkan throughput litar sesuatu sistem dan jumlah pengiraan berguna yang boleh dilaksanakannya dalam suatu tempoh masa.

Secara bersama, metrik ini menyediakan pandangan peringkat tinggi tentang keupayaan pengiraan, kebolehskalaan, dan kecekapan sesuatu komputer kuantum merentasi teknologi perkakasan dan pendekatan pelaksanaan.

Di samping metrik utama ini, sebilangan metrik penanda aras sokongan digunakan secara meluas di seluruh industri:

Uji pemahaman Anda

Betul atau salah: Kuasa komputer kuantum ditentukan oleh bilangan qubit yang dimilikinya.

Jawapan

Salah. Jika komputer kuantum mempunyai banyak qubit, tetapi throughput litar yang rendah dan kualiti yang lemah, maka maklumat yang disimpan pada mana-mana bilangan qubit akan merosot sebelum hasil yang berguna dapat diperoleh. Kuasa komputer kuantum bergantung pada skala, kualiti dan kelajuan.

Apa seterusnya dalam pengkomputeran kuantum

Komputer kuantum hari ini, dan yang dijangkakan untuk masa terdekat, adalah bising. Ini bermakna mereka sensitif terhadap gangguan persekitaran yang boleh mempengaruhi kesetiaan hasil. Sama seperti pengkomputeran klasikal yang berkembang melalui penskalaan modular pemproses, pengiraan yang cekap, dan paralelisasi, kita melihat pengkomputeran kuantum berkembang untuk menyedari potensi penuhnya. Apabila kita bekerja ke arah komputer kuantum toleransi ralat sepenuhnya, kita ingin menyelesaikan masalah berguna dengan perkakasan dan perisian yang kita miliki hari ini.

Kegunaan kuantum

IBM Quantum dan Universiti California, Berkeley membentangkan bukti bahawa komputer kuantum boleh memberikan nilai lebih awal daripada yang dijangkakan berkat kemajuan dalam perkakasan IBM Quantum dan kaedah mitigasi ralat. Bukan sekadar bukti konsep, kami memberikan hasil yang cukup tepat untuk berguna. Model pengiraan yang kami terokai dengan kerja ini adalah facet teras banyak algoritma yang direka untuk komputer kuantum jangka pendek.

Gelung maklum balas antara kuantum dan klasikal adalah kunci untuk memajukan teknologi kuantum. Dengan fokus pada kegunaan kuantum, kita menggunakan kuantum untuk menyelidiki masalah kompleks yang mencabar rangka kerja pengiraan berprestasi tinggi yang sedia ada, kemudian menyemak hasilnya secara klasikal. Proses berulang antara kuantum yang menjalankan litar yang kompleks dan komputer klasikal yang mengesahkan hasil kuantum ini akan meningkatkan kedua-dua domain pengiraan dan memberikan keyakinan kepada pengguna tentang kemampuan komputer kuantum jangka pendek.

Bacaan pilihan — klik pada segitiga untuk membaca lebih lanjut tentang eksperimen

• Dalam eksperimen ini, kami menggunakan semua 127 qubit pemproses IBM Quantum Eagle kami untuk mensimulasikan perubahan tingkah laku sistem yang secara semula jadi memetakan ke komputer kuantum, yang dipanggil model Ising kuantum. Model Ising adalah penyederhanaan alam semula jadi yang mewakili atom yang berinteraksi sebagai lattice sistem dua pilihan kuantum yang berinteraksi dalam medan tenaga. Sistem ini sangat menyerupai qubit dua keadaan yang membentuk komputer kuantum kita, menjadikannya sesuai untuk menguji kemampuan kaedah kita. Kami menggunakan ZNE untuk cuba mengira secara tepat sifat sistem yang dipanggil nilai jangkaannya — pada dasarnya purata berwajaran hasil yang mungkin dari litar.

• Secara serentak, pasukan Berkeley mencuba mensimulasikan sistem yang sama menggunakan kaedah rangkaian tensor dengan bantuan superkomputer canggih yang terletak di Pusat Pengiraan Saintifik Penyelidikan Tenaga Kebangsaan (NERSC) Makmal Kebangsaan Lawrence Berkeley dan di Universiti Purdue.

• Kaedah kuantum terus bersetuju dengan kaedah yang tepat. Tetapi akhirnya, kaedah penghampiran klasikal mula goyah apabila kesukaran ditingkatkan.

• Akhirnya, kami meminta kedua-dua komputer untuk menjalankan pengiraan melampaui apa yang boleh dikira dengan tepat — dan komputer kuantum mengembalikan jawapan yang lebih kami yakin benar. Dan walaupun kita tidak dapat membuktikan sama ada jawapan itu sebenarnya benar, kejayaan Eagle dalam percubaan eksperimen sebelumnya memberi kami keyakinan bahawa ia benar.

Pembetulan Ralat

Pembetulan ralat telah menjadi kawasan penyelidikan utama selama beberapa dekad. Tetapi untuk sebahagian besar masa itu, teknik pembetulan ralat teori tidak praktikal untuk dilaksanakan pada komputer kuantum sebenar, paling kerap kerana jumlah qubit yang sangat besar yang diperlukan. Memang, ramai pakar meramalkan bahawa pengkomputeran kuantum toleransi ralat praktikal (FTQC) akan memerlukan berjuta-juta qubit fizikal. Tetapi dalam makalah terbaru yang diterbitkan di halaman depan Nature, penyelidik dari IBM memperkenalkan kod baru, yang kami sebut kod Gross, yang mengatasi batasan itu.

Makalah High-threshold and low-overhead fault-tolerant quantum memory menerangkan kod pembetulan ralat kuantum baru yang kira-kira 10 kali lebih cekap berbanding kaedah sebelumnya dalam melindungi data kuantum yang halus daripada ralat yang terkumpul. Untuk mempertimbangkan betapa lebih dekatnya kita kini kepada permulaan pembetulan ralat, pertimbangkan bahawa menggunakan kod Gross, Anda boleh melindungi 12 qubit logik untuk kira-kira sejuta kitaran pemeriksaan ralat menggunakan 288 qubit.

Tidak dijangkakan bahawa pembetulan ralat akan tiba-tiba menggantikan mitigasi ralat dan penindasan ralat. Sebaliknya, dalam beberapa tahun akan datang, mitigasi ralat dan penindasan akan terus memainkan peranan penting, bersama bilangan qubit yang diperbetul ralat yang semakin meningkat.

Peta Jalan Pembangunan IBM Quantum

Kita kini berada dengan kukuh dalam era kegunaan kuantum. Itu bermakna komputer kuantum lebih baik dalam pengkomputeran kuantum berbanding komputer klasikal, dan boleh dimanfaatkan oleh pengguna kami untuk menemui algoritma baru dan mencari kelebihan kuantum. Peta jalan kami menggariskan pencapaian bersejarah dan rancangan kami untuk mencapai kelebihan kuantum jangka pendek menjelang 2026.

Menjelang 2029, kami akan menghantar Starling — komputer kuantum toleransi ralat berskala besar yang mampu menjalankan litar kuantum yang terdiri daripada 100 juta gerbang kuantum pada 200 qubit logik. Kami sedang membina sistem ini sekarang di kemudahan bersejarah kami di Poughkeepsie, New York. Ketahui lebih lanjut tentang kemajuan kami dalam PDF Peta Jalan Berpandu.

Baca lebih lanjut tentang peta jalan pembangunan IBM Quantum di sini.

Cabaran 5k

IBM bekerjasama dengan komuniti penyelidikan kuantum untuk mencari kes penggunaan berpotensi yang boleh mendapat manfaat daripada pengkomputeran kuantum. Kami menyediakan alat yang semakin berkuasa supaya pengguna boleh meneroka masalah mendesak dengan kuantum. Pada tahun 2024, kami melancarkan alat yang mampu mengira boleh cerap tidak berat sebelah daripada litar panjang dan berkualiti tinggi. Mencari apa yang boleh dilakukan dengan gabungan 100+ qubit dan litar yang dalam pernah dipanggil "cabaran 100x100". Tetapi bilangan qubit dan kedalaman yang tepat pada setiap satunya kurang penting berbanding memanfaatkan kuasa gabungan. Bayangkan apa yang mungkin dengan 5,000 gerbang kuantum dalam satu pengiraan. ​Pengguna boleh menjalankan litar kuantum dengan kerumitan dan masa jalan melampaui keupayaan komputer klasikal terbaik hari ini. Kami teruja untuk melihat apa yang akan dibina oleh komuniti kuantum untuk membantu kami memanfaatkan kuasa kuantum dan menyelesaikan masalah penting.

Superkomputer berpusatkan kuantum

Melampaui pemproses cip tunggal adalah kunci untuk menyelesaikan masalah pada skala. Pada tahun 2024, kami memperkenalkan Crossbill, pemproses tunggal pertama yang dibuat daripada berbilang cip. Ini adalah langkah pertama untuk mengantarkan era penskalaan baru, menyediakan laluan yang jelas ke 100,000 qubit dan lebih dengan superkomputer berpusatkan kuantum. Ini adalah seni bina pengkomputeran modular yang membolehkan penskalaan. Ia menggabungkan komunikasi dan pengiraan kuantum untuk meningkatkan kapasiti pengiraan, sambil menggunakan perisian tengah hybrid cloud untuk mengintegrasikan aliran kerja kuantum dan klasikal dengan lancar.

Menyelesaikan masalah paling kompleks di dunia akan memerlukan gabungan sumber klasikal dan kuantum. Tambahan pula, ia akan bergantung pada kerjasama berterusan antara industri dan akademia.

Pengambilan utama

Anda boleh mengingati pengambilan utama ini:

• Komputer kuantum hari ini tidak toleransi ralat.

• Tiga dimensi utama untuk menilai prestasi pengkomputeran kuantum ialah: skala (qubit boleh diprogram), kualiti (operasi qubit), dan kelajuan (bilangan maksimum litar per saat).

• Penanda aras tambahan seperti Quantum Volume, CLOPS, dan EPLG kekal berguna untuk memahami ciri perkakasan dan beban kerja tertentu.

• Eksperimen IBM Quantum-UC Berkeley bersama membentangkan bukti komputer kuantum IBM yang memberikan hasil yang boleh dipercayai dan tepat untuk masalah simulasi yang mencabar pada skala 127 qubit.

• Superkomputer berpusatkan kuantum bermaksud merawat kuantum sebagai satu bahagian daripada paradigma HPC yang lebih luas dengan klasikal dan kuantum bekerja sebagai satu unit pengiraan.