เทคโนโลยีควอนตัม IBM

กลุ่มคอมพิวเตอร์ควอนตัม IBM® ที่มีอย่างน้อย 127 Qubit ทุกเครื่อง ถือเป็นกลุ่มที่ใหญ่ที่สุดในโลก คอมพิวเตอร์ควอนตัมเหล่านี้ใช้ superconducting transmon Qubit ซึ่งไม่ใช่ Qubit ประเภทเดียวเท่านั้น แต่มีข้อได้เปรียบหลายประการ การรวมคอมพิวเตอร์ควอนตัมระดับโลกของเราเข้ากับ Qiskit ช่วยให้ผู้ใช้ของเราสามารถสำรวจว่าการประมวลผลเชิงควอนตัมสามารถมีประโยชน์ในโลกได้อย่างไรในวันนี้ พันธมิตรอุตสาหกรรมและนักวิจัยกำลังใช้เทคโนโลยี IBM Quantum® เพื่อสำรวจการคำนวณที่มีความหมายและการประยุกต์ใช้จริง มาสำรวจขอบเขตของโปรแกรมและบริการที่ IBM Quantum เสนอให้พันธมิตร

ถ้าคุณเป็นส่วนหนึ่งของสถาบันที่เป็นสมาชิกของ IBM Quantum Network อย่าลืมติดต่อกลุ่มการประมวลผลเชิงควอนตัมของสถาบันของคุณเพื่อกำหนดว่าคุณมีสิทธิ์เข้าถึงสิทธิประโยชน์ใดบ้าง

เป้าหมายการเรียนรู้

เมื่อจบโมดูลนี้ คุณควรสามารถ:

• รับรู้ว่าการแก้ปัญหาที่มีความหมายต้องอาศัยการรวมกันของทรัพยากรควอนตัมและคลาสสิก

• ระบุฮาร์ดแวร์ ซอฟต์แวร์ และบริการที่มีอยู่เพื่อแก้ปัญหาที่มีความหมาย

• อธิบายว่าประสิทธิภาพของการประมวลผลเชิงควอนตัมถูกวัดอย่างไรโดยใช้ตัวชี้วัดด้านขนาด คุณภาพ และความเร็ว รู้จักตัวชี้วัดเกณฑ์มาตรฐานสนับสนุนที่ใช้กันทั่วไปในอุตสาหกรรม

IBM Quantum Platform

IBM Quantum Platform มีชุดเครื่องมือการประมวลผลเชิงควอนตัมที่รวมทรัพยากรการวิจัยและพัฒนาทั้งหมดที่ผู้ใช้ต้องการเพื่อทำงานที่ดี ในที่เดียว ผู้ใช้สามารถสร้างบัญชีและลงชื่อเข้าใช้เพื่อเข้าถึงคอมพิวเตอร์ควอนตัม IBM ดูรายละเอียดคอมพิวเตอร์ ติดตาม workload และเข้าถึงเนื้อหาที่เปิดใช้งานใน Documentation และ Learning

• หน้าหลัก ทำหน้าที่เป็นจุดเริ่มต้นหลักสำหรับระบบนิเวศผลิตภัณฑ์ ที่ผู้ใช้สามารถรับ API key ดูสรุป instance และข้อมูลการใช้งาน ดูรายละเอียดงานล่าสุด และเข้าถึงลิงก์ที่เป็นประโยชน์ไปยังส่วนอื่นๆ ของ platform

• Documentation รวม Qiskit documentation, service documentation และข้อมูลอ้างอิง API ไว้ในที่เดียว จัดระเบียบในลักษณะที่สนับสนุนกระบวนการทำงานตามธรรมชาติของผู้ใช้

• Learning คือบ้านสำหรับเนื้อหาการศึกษา รวมถึงหลักสูตรและโมดูลการสอน และ Circuit Composer แบบโต้ตอบ (เร็วๆ นี้) ตัวแก้ไขแบบกราฟิกและโค้ดที่รวมกันนี้ช่วยให้ผู้ใช้สามารถสร้างต้นแบบ จำลอง และดีบัก Circuit ด้วยภาพ แล้วรันบนคอมพิวเตอร์ควอนตัม IBM

IBM Quantum Compute Service (เดิมคือ Qiskit Runtime Service)

IBM Quantum Compute Service คือสถาปัตยกรรมแบบ containerized ที่พกพาได้และปลอดภัย ที่รันโปรแกรมควอนตัมบนหน่วยการประมวลผลคลาสสิกที่ผสานรวมอย่างแน่นหนากับโปรเซสเซอร์ควอนตัม IBM Quantum Compute Service ช่วยให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถกลายเป็นส่วนหนึ่งของสภาพแวดล้อมการประมวลผลใดก็ได้เพื่อเร่งการคำนวณ — คล้ายกับหน่วยประมวลผลกราฟิก (GPU) — และจัดการการจัดระเบียบงานและการถ่ายโอนข้อมูลไปยัง quantum processing unit เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุด

Qiskit และ Quantum Compute ทำให้ง่ายต่อการจัดระเบียบโปรแกรมอย่างรวดเร็วข้ามทรัพยากรการคำนวณบนคลาวด์ IBM สร้าง middleware สำหรับควอนตัมเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดของแอปพลิเคชันควอนตัมที่รันข้ามทรัพยากรการประมวลผลควอนตัมและคลาสสิกแบบ parallelized บนคลาวด์ middleware นี้รวมถึง circuit knitting toolbox และสถาปัตยกรรม quantum serverless ของเรา

circuit cutting Qiskit addon ช่วยให้นักพัฒนาสามารถตัด Circuit ขนาดใหญ่ให้เป็น Circuit เล็กๆ ที่เหมาะสมสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมในปัจจุบัน Circuit knitting ใช้การประมวลผลคลาสสิกเพื่อรับภาระการคำนวณบางส่วนของ quantum Circuit เพื่อเกินกว่าสิ่งที่เราสามารถทำได้ด้วยอย่างใดอย่างหนึ่งเพียงอย่างเดียว เครื่องมือเพิ่มเติมช่วยสร้าง Circuit ใหม่ด้วยทรัพยากรคลาสสิกและเชื่อมต่อผลลัพธ์สุดท้าย

Quantum Serverless คือ toolkit การจัดระเบียบ multi-cloud เพื่อเชื่อมต่อทรัพยากรคลาสสิกที่ยืดหยุ่นกับ IBM Quantum Compute Service Quantum serverless ช่วยให้นักพัฒนาสามารถมุ่งเน้นที่โค้ด แทนที่จะเป็นการจัดสรรทรัพยากร

คอมพิวเตอร์ควอนตัม superconducting ของ IBM

โปรเซสเซอร์ควอนตัม IBM ใช้ Qubit ทางกายภาพประเภทหนึ่งที่เรียกว่า superconducting transmon qubit ซึ่งทำจากวัสดุ superconducting ที่มีรูปแบบบนพื้น substrate ซิลิกอน โปรเซสเซอร์ควอนตัมอื่นๆ อาจใช้ photonic Qubit ที่ทำจากโฟตอนแสงเดี่ยว หรือ trapped-ion Qubit ที่จัดเก็บข้อมูลในอนุภาคอะตอมที่มีประจุ เพื่อให้กระแสไฟฟ้าไหลได้ superconducting Qubit ต้องอยู่ที่อุณหภูมิต่ำมาก — ใกล้ absolute zero

โปรเซสเซอร์ IBM 127-Qubit

ประสิทธิภาพการประมวลผลเชิงควอนตัม

การวัดประสิทธิภาพการประมวลผลเชิงควอนตัม

คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทนต่อความผิดพลาดแบบสากล (universal fault-tolerant) ยังคงเป็นหนึ่งในความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ของการประมวลผลสมัยใหม่ คอมพิวเตอร์ควอนตัมในปัจจุบันยังไม่ทนต่อความผิดพลาดได้อย่างสมบูรณ์ ดังนั้นการทำความเข้าใจประสิทธิภาพของมันจึงต้องพิจารณาปัจจัยหลายอย่างนอกเหนือจากจำนวน qubit เพียงอย่างเดียว

IBM Quantum กำหนดลักษณะประสิทธิภาพของการประมวลผลเชิงควอนตัมโดยใช้มิติพื้นฐานสามอย่าง:

• ขนาด (Scale): วัดโดย programmable qubit ซึ่งเป็น qubit ที่ผู้ใช้สามารถควบคุมและนำไปใช้ในอัลกอริทึมควอนตัมได้โดยตรง

• คุณภาพ (Quality): วัดโดย qubit operations (QuOps) ซึ่งบ่งชี้ว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถรันการดำเนินการที่ต้องการการประมวลผลมากที่สุดได้กี่ครั้งอย่างเชื่อถือได้ ก่อนที่ข้อผิดพลาดจะครอบงำการคำนวณ

• ความเร็ว (Speed) วัดโดยจำนวน circuit สูงสุดต่อวินาที ซึ่งอธิบายถึง throughput ของ circuit ในระบบและปริมาณการคำนวณที่เป็นประโยชน์ที่สามารถทำได้ในช่วงเวลาหนึ่ง

โดยรวมแล้ว ตัวชี้วัดเหล่านี้ให้มุมมองระดับสูงเกี่ยวกับความสามารถในการคำนวณ ความสามารถในการขยายขนาด และประสิทธิภาพของคอมพิวเตอร์ควอนตัมข้ามเทคโนโลยีฮาร์ดแวร์และแนวทางการนำไปใช้ต่าง ๆ

นอกเหนือจากตัวชี้วัดหลักเหล่านี้ ยังมีตัวชี้วัดเกณฑ์มาตรฐานสนับสนุนอีกจำนวนหนึ่งที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรม:

ทดสอบความเข้าใจ

จริงหรือเท็จ: พลังของคอมพิวเตอร์ควอนตัมถูกกำหนดโดยจำนวน qubit ที่มันมี

Answer

เท็จ ถ้าคอมพิวเตอร์ควอนตัมมี qubit จำนวนมาก แต่มี circuit throughput ต่ำและคุณภาพไม่ดี ข้อมูลที่เก็บไว้บน qubit จำนวนเท่าใดก็ตามจะเสื่อมสภาพก่อนที่จะได้ผลลัพธ์ที่เป็นประโยชน์ พลังของคอมพิวเตอร์ควอนตัมขึ้นอยู่กับขนาด คุณภาพ และความเร็ว

อะไรต่อไปในการประมวลผลเชิงควอนตัม

คอมพิวเตอร์ควอนตัมในปัจจุบัน และที่คาดว่าจะเป็นเช่นนั้นไปอีกเท่าที่มองเห็นได้ในขณะนี้ มีสัญญาณรบกวน ซึ่งหมายความว่าพวกมันไวต่อการรบกวนจากสิ่งแวดล้อมที่อาจส่งผลต่อความเที่ยงของผลลัพธ์ เช่นเดียวกับที่การประมวลผลคลาสสิกพัฒนาผ่านการขยายโปรเซสเซอร์แบบ modular การประมวลผลที่มีประสิทธิภาพ และ parallelization เราเห็นการประมวลผลเชิงควอนตัมพัฒนาเพื่อบรรลุศักยภาพเต็มรูปแบบ ขณะที่เรามุ่งสู่คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ fault-tolerant อย่างสมบูรณ์ เราต้องการแก้ปัญหาที่มีประโยชน์ด้วยฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ที่เรามีอยู่ในปัจจุบัน

Quantum utility (ประโยชน์เชิงปฏิบัติของควอนตัม)

IBM Quantum และ University of California, Berkeley นำเสนอหลักฐานว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถให้คุณค่าเร็วกว่าที่คาดไว้ด้วยความก้าวหน้าในฮาร์ดแวร์ IBM Quantum และวิธีการลดข้อผิดพลาด ไม่ใช่แค่การพิสูจน์แนวคิด แต่เราได้ผลลัพธ์ที่แม่นยำพอจะนำไปใช้ประโยชน์ได้จริง โมเดลการคำนวณที่เราศึกษาในงานนี้เป็นแกนหลักของอัลกอริทึมจำนวนมากที่ออกแบบมาสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมในระยะใกล้

ลูปป้อนกลับระหว่างควอนตัมและคลาสสิกเป็นกุญแจสำคัญในการส่งเสริมเทคโนโลยีควอนตัม ด้วยการมุ่งเน้นที่ quantum utility เราใช้ควอนตัมในการตรวจสอบปัญหาที่ซับซ้อนที่ท้าทายกรอบการคำนวณประสิทธิภาพสูงที่มีอยู่ แล้วตรวจสอบผลลัพธ์แบบคลาสสิก การสลับระหว่างควอนตัมที่รัน Circuit ที่ซับซ้อนและคอมพิวเตอร์คลาสสิกที่ตรวจสอบผลลัพธ์ควอนตัมอย่างต่อเนื่องจะปรับปรุงทั้งสองโดเมนการคำนวณและให้ผู้ใช้ความมั่นใจในความสามารถของคอมพิวเตอร์ควอนตัมในระยะใกล้

การอ่านเพิ่มเติม (ไม่บังคับ) — ขยายเพื่ออ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการทดลอง

• ในการทดลองนี้ เราใช้ Qubit ทั้ง 127 ตัวของโปรเซสเซอร์ IBM Quantum Eagle เพื่อจำลองพฤติกรรมที่เปลี่ยนแปลงของระบบที่จับคู่กับคอมพิวเตอร์ควอนตัมอย่างเป็นธรรมชาติ เรียกว่า quantum Ising model โมเดล Ising เป็นการทำให้ธรรมชาติง่ายขึ้นที่แสดงถึงอะตอมที่มีปฏิสัมพันธ์เป็นตาข่ายของระบบสองทางเลือกควอนตัมที่มีปฏิสัมพันธ์ในสนามพลังงาน ระบบเหล่านี้ดูคล้ายกับ Qubit สองสถานะที่ประกอบขึ้นเป็นคอมพิวเตอร์ควอนตัมของเรามาก ทำให้เป็นตัวทดสอบที่ดีสำหรับความสามารถของวิธีการของเรา เราใช้ ZNE เพื่อพยายามคำนวณคุณสมบัติของระบบที่เรียกว่า expectation value — โดยหลักคือค่าเฉลี่ยแบบถ่วงน้ำหนักของผลลัพธ์ที่เป็นไปได้ของ Circuit

• ในขณะเดียวกัน ทีม Berkeley พยายามจำลองระบบเดียวกันโดยใช้วิธี tensor network ด้วยความช่วยเหลือของซูเปอร์คอมพิวเตอร์ขั้นสูงที่ National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) ของ Lawrence Berkeley National Lab และที่ Purdue University

• วิธีการควอนตัมยังคงสอดคล้องกับวิธีการแม่นยำ แต่ในที่สุด วิธีการประมาณแบบคลาสสิกเริ่มสะดุดเมื่อความยากเพิ่มขึ้น

• ในที่สุด เราขอให้คอมพิวเตอร์ทั้งสองเครื่องรันการคำนวณที่เกินกว่าสิ่งที่สามารถคำนวณได้อย่างแม่นยำ — และคอมพิวเตอร์ควอนตัมให้คำตอบที่เราเชื่อมั่นว่าถูกต้องมากกว่า และแม้เราไม่สามารถพิสูจน์ได้ว่าคำตอบนั้นถูกต้องจริงๆ ความสำเร็จของ Eagle ในการรันทดลองก่อนหน้าทำให้เรามีความมั่นใจว่าพวกมันถูกต้อง

การแก้ไขข้อผิดพลาด

การแก้ไขข้อผิดพลาดเป็นพื้นที่การวิจัยสำคัญมาหลายทศวรรษ แต่ตลอดเวลาส่วนใหญ่นั้น เทคนิคการแก้ไขข้อผิดพลาดทางทฤษฎียังไม่เหมาะจะนำไปใช้กับคอมพิวเตอร์ควอนตัมจริง มักเนื่องจากจำนวน Qubit ที่ต้องการมากมาย อันที่จริง ผู้เชี่ยวชาญหลายคนทำนายว่าการประมวลผลเชิงควอนตัมแบบ fault tolerant ในทางปฏิบัติ (FTQC) จะต้องการ Qubit ทางกายภาพหลายล้านตัว แต่ในบทความล่าสุดที่ตีพิมพ์บนหน้าปก Nature นักวิจัยจาก IBM ได้นำเสนอโค้ดใหม่ที่เราเรียกว่า Gross code ที่เอาชนะข้อจำกัดนั้น

บทความ High-threshold and low-overhead fault-tolerant quantum memory อธิบาย quantum error-correcting code ใหม่ที่มีประสิทธิภาพในการปกป้องข้อมูลควอนตัมที่บอบบางจากการสะสมข้อผิดพลาดประมาณ 10 เท่ากว่าวิธีการก่อนหน้า เพื่อพิจารณาว่าเราใกล้แค่ไหนกับจุดเริ่มต้นของการแก้ไขข้อผิดพลาด ลองพิจารณาว่าโดยใช้ Gross code คุณสามารถปกป้อง 12 logical Qubit ได้ประมาณหนึ่งล้านรอบของการตรวจสอบข้อผิดพลาดโดยใช้ Qubit 288 ตัว

ไม่คาดว่าการแก้ไขข้อผิดพลาดจะแทนที่การลดและการระงับข้อผิดพลาดอย่างกะทันหัน แต่ในไม่กี่ปีข้างหน้า การลดและการระงับข้อผิดพลาดจะยังคงมีบทบาทสำคัญ ควบคู่กับจำนวน Qubit ที่แก้ไขข้อผิดพลาดได้เพิ่มขึ้น

แผนงานการพัฒนา IBM Quantum

ตอนนี้เราก้าวเข้าสู่ยุคของ quantum utility อย่างเต็มตัวแล้ว นั่นหมายความว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมเก่งด้านการประมวลผลเชิงควอนตัมมากกว่าคอมพิวเตอร์คลาสสิก และผู้ใช้ของเราสามารถใช้ประโยชน์จากมันเพื่อค้นพบอัลกอริทึมใหม่และค้นหาความได้เปรียบควอนตัม แผนงานของเราสรุปก้าวสำคัญที่ผ่านมาและแผนการบรรลุ near-term quantum advantage ภายในปี 2026

ภายในปี 2029 เราจะส่งมอบ Starling — คอมพิวเตอร์ควอนตัมแบบ fault-tolerant ขนาดใหญ่ที่สามารถรัน quantum Circuit ที่ประกอบด้วย 100 ล้าน quantum Gate บน 200 logical Qubit เรากำลังสร้างระบบนี้อยู่ตอนนี้ที่สถานที่ประวัติศาสตร์ของเราใน Poughkeepsie, New York เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับความคืบหน้าของเราในGuided Roadmap PDF

อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับ IBM Quantum development roadmap ที่นี่

5k challenge

IBM ทำงานร่วมกับชุมชนวิจัยควอนตัมเพื่อค้นหากรณีการใช้งานที่มีศักยภาพที่อาจได้รับประโยชน์จากการประมวลผลเชิงควอนตัม เราให้เครื่องมือที่ทรงพลังมากขึ้นเรื่อยๆ เพื่อให้ผู้ใช้สำรวจปัญหาที่เร่งด่วนด้วยควอนตัม ในปี 2024 เราเปิดตัวเครื่องมือที่สามารถคำนวณ unbiased observables ของ Circuit ที่ยาวและมีคุณภาพสูง การค้นหาว่าสามารถทำอะไรได้บ้างด้วย Qubit มากกว่า 100 ตัวและ Circuit ลึกนั้นเรียกว่า "100x100 challenge" ในครั้งหนึ่ง แต่จำนวน Qubit และความลึกที่แน่นอนในแต่ละตัวสำคัญน้อยกว่าการใช้ประโยชน์จากพลังของการรวมกัน ลองนึกภาพว่าเป็นไปได้อะไรบ้างด้วย quantum gate 5,000 gate ในการคำนวณเดียว ผู้ใช้สามารถรัน quantum Circuit ที่มีความซับซ้อนและ runtime เกินกว่าความสามารถของคอมพิวเตอร์คลาสสิกที่ดีที่สุดในปัจจุบัน เรารู้สึกตื่นเต้นที่จะเห็นว่าชุมชนควอนตัมจะสร้างอะไรเพื่อช่วยให้เราใช้ประโยชน์จากพลังของควอนตัมและแก้ปัญหาสำคัญ

Quantum-centric supercomputers

การก้าวเลยโปรเซสเซอร์ชิปเดียวเป็นกุญแจสำคัญในการแก้ปัญหาในขนาดใหญ่ ในปี 2024 เราแนะนำ Crossbill โปรเซสเซอร์เดี่ยวตัวแรกที่ทำจากหลายชิป นี่คือก้าวแรกสู่การนำยุคใหม่ของการขยายขนาด โดยให้เส้นทางที่ชัดเจนสู่ 100,000 Qubit และเกินนั้นด้วย quantum-centric supercomputing นี่คือสถาปัตยกรรมการประมวลผลแบบ modular ที่ช่วยให้ขยายขนาดได้ มันรวม quantum communication และ computation เพื่อเพิ่มความสามารถในการประมวลผล ขณะที่ใช้ hybrid cloud middleware เพื่อผสานรวมกระบวนการทำงานควอนตัมและคลาสสิกอย่างราบรื่น

การแก้ปัญหาที่ซับซ้อนที่สุดของโลกต้องอาศัยการรวมกันของทรัพยากรคลาสสิกและควอนตัม นอกจากนี้ยังขึ้นอยู่กับความร่วมมืออย่างต่อเนื่องระหว่างอุตสาหกรรมและวิชาการ

สรุปสาระสำคัญ

สาระสำคัญที่ควรจดจำ:

• คอมพิวเตอร์ควอนตัมในปัจจุบันยังไม่ fault tolerant

• มิติหลักสามอย่างสำหรับการประเมินประสิทธิภาพการประมวลผลเชิงควอนตัม ได้แก่: ขนาด (programmable qubit) คุณภาพ (qubit operations) และความเร็ว (circuit สูงสุดต่อวินาที)

• เกณฑ์มาตรฐานเพิ่มเติม เช่น Quantum Volume, CLOPS และ EPLG ยังคงมีประโยชน์สำหรับการทำความเข้าใจลักษณะเฉพาะของฮาร์ดแวร์และภาระงานที่เจาะจง

• การทดลองร่วมระหว่าง IBM Quantum และ UC Berkeley นำเสนอหลักฐานของคอมพิวเตอร์ควอนตัม IBM ที่ให้ผลลัพธ์ที่เชื่อถือได้และแม่นยำสำหรับปัญหาการจำลองที่ท้าทายในขนาด 127 Qubit

• Quantum-centric supercomputing หมายถึงการปฏิบัติกับควอนตัมในฐานะชิ้นส่วนหนึ่งของกระบวนทัศน์ HPC ที่กว้างกว่าโดยมีคลาสสิกและควอนตัมทำงานเป็นหน่วยการคำนวณเดียว