Thông báo về máy tính lượng tử gần đây của IBM Quantum về bộ vi xử lý Eagle lượng tử 127-qubit mới là một cột mốc quan trọng đối với toàn bộ hệ sinh thái lượng tử. Thông báo được đưa ra trong khung thời gian được dự báo bởi lộ trình công nghệ lượng tử vào tháng 9 năm 2020 của IBM.
Đại bàng QPU
Eagle 127-qubit quan trọng vì một số lý do:
- Đây là máy tính lượng tử đầu tiên có 127 qubit chất lượng cao, vượt qua máy lượng tử 113 qubit Jiuzhang của Trung Quốc.
- 127 qubit đặt bộ xử lý vượt quá khả năng mô phỏng của một máy tính cổ điển – đây là lãnh thổ chưa được biết đến đối với khoa học lượng tử.
- Kiến trúc của Eagle chứa đựng nhiều cải tiến kỹ thuật sẽ giúp IBM đạt được mục tiêu về máy tính không ma sát vào cuối năm 2023.
- Cải tiến kỹ thuật trong Eagle cũng là nền tảng cho sự phát triển của các bộ xử lý lượng tử tương lai của IBM, 433 qubit Osprey vào năm 2022 và 1121 qubit Condor vào năm 2023.
- Eagle là bộ xử lý lượng tử cuối cùng được phát triển để sử dụng trong Hệ thống lượng tử một của IBM. Hai thế hệ tiếp theo – Osprey và Condor – sẽ được phát triển cho Hệ thống lượng tử hai của IBM.
Kiến trúc 3D của Eagle
Jerry Chow là Giám đốc, Phát triển Hệ thống Phần cứng Lượng tử cho IBM Quantum. Trong một hội nghị phân tích công nghệ gần đây, Chow cho biết: “Tôi có thể khẳng định chắc chắn rằng đây là chip điện toán lượng tử tiên tiến nhất từng được chế tạo. Trên thực tế, không chỉ nó được chế tạo mà Đại bàng của chúng ta đã hạ cánh. Đây là bộ xử lý lượng tử trên 100 qubit đầu tiên trên thế giới. Và đối với vật chất đó, nó có 127 qubit được sắp xếp trong mạng lục giác nặng nổi tiếng của chúng ta. Và hãy để tôi nhấn mạnh rằng đây không chỉ là một bộ xử lý do chúng tôi chế tạo, mà là một hệ thống hoạt động đầy đủ đang chạy các mạch lượng tử ngày nay ”.
Chip Eagle sử dụng ghép kênh đọc thay vì tập hợp các thiết bị điện tử điều khiển và đọc cho mỗi qubit. Điều này làm giảm số lượng dây điện và thiết bị điện tử bên trong tủ lạnh pha loãng.
Bộ xử lý cũng kết hợp chế tạo cung cấp hệ thống dây dẫn truy cập có thể mở rộng tới tất cả các qubit bằng cách sử dụng tích hợp 3D để đặt các thành phần mạch vi sóng và hệ thống dây điện trên nhiều cấp độ vật lý.
Quy mô, chất lượng và tốc độ là quan trọng
IBM đo lường hiệu suất tính toán lượng tử bằng cách sử dụng ba thước đo chính – quy mô, chất lượng và tốc độ. Đối với quy mô, nó đo lường tiến trình của nó bằng số lượng qubit trong hệ thống của nó. Hơn nữa, có thể bao gồm bất kỳ qubit nào trong hoạt động cổng 2 qubit.
Tỉ lệ
Việc chia tỷ lệ số lượng qubit là rất quan trọng vì nó xác định mức độ phức tạp tính toán mà một máy lượng tử có thể xử lý. Mở rộng quy mô qubit và phần cứng không phải là một nỗ lực trong một sớm một chiều. Đó là nỗ lực nghiên cứu có hệ thống, dài hạn thường dẫn đến những cải tiến gia tăng nhỏ nhưng quan trọng.
Xem xét các cải tiến dành cho xe đua hiệu suất cao. Bạn không thể làm cho một chiếc xe nhanh hơn chỉ đơn giản bằng cách lắp một bộ lốp mới. Một nhóm khoa học đua xe thực hiện nhiều thay đổi nhỏ do các thử nghiệm được thực hiện trong một thời gian dài. Cân nhắc về hỗn hợp nhiên liệu, cài đặt bộ chế hòa khí, tỷ số truyền, tính khí động học của thân xe, phân bổ trọng lượng và hơn thế nữa.
IBM sử dụng cùng một kiểu tiếp cận để đạt được những cải tiến và gia tăng quy mô qubit. Vào năm 2019, bộ xử lý Falcon 27 qubit đã được sản xuất bằng cách làm cho các điểm nối Josephson siêu dẫn trở nên đáng tin cậy hơn. Ngoài ra, một sự sắp xếp mạng tinh thể qubit khác với hiệu suất được cải thiện dẫn đến giảm nhiễu từ qubit thành qubit.
Năm ngoái, IBM đã phát hành bộ xử lý lượng tử Hummingbird 65 qubit với khả năng đọc và đo lường qubit được giảm từ một dòng trên mỗi qubit thành một kết quả đọc đa hợp sử dụng một dòng cho mỗi tám qubit. Sự đổi mới đã tạo ra nhiều không gian hơn trong hệ thống đông lạnh và tạo khoảng trống để mở rộng từ 65 qubit lên 127 qubit của Eagle.
Chất lượng
IBM coi chất lượng là thước đo công nghệ của họ triển khai các mạch lượng tử với đủ độ sâu như thế nào. Nó sử dụng một số liệu tổng thể được gọi là Khối lượng lượng tử để làm điểm chuẩn cho chất lượng. Quantum Volume được IBM giới thiệu vào năm 2017 và xem xét một số yếu tố, bao gồm số lượng qubit, cách các qubit được kết nối với nhau, lỗi cổng và phép đo, trao đổi chéo thiết bị, hiệu quả của trình biên dịch mạch, v.v. Quantum Volume cũng tính đến những thứ như tổn thất vật chất và các điểm không hoàn hảo khác, cộng với các lỗi kiểm soát và đọc. Đọc thêm về khối lượng lượng tử trong các bài báo Forbes trước đây của tôi tại đây và tại đây .
Điều quan trọng đối với IBM là phải đưa tính toán Khối lượng lượng tử vào tốc độ chuẩn như một phần trong các phép đo của mình. Điều quan trọng là phải biết hệ thống có thể giải quyết một vấn đề nhanh như thế nào. IBM định nghĩa tốc độ là các hoạt động của lớp mạch trên giây (CLOPS). Điều cần thiết là phải đo tốc độ vì các mạch chất lượng cao, nhanh cho phép các vấn đề phức tạp được giải quyết trong thời gian ngắn hơn.
Khi điểm chuẩn Lượng tử lượng xác định chất lượng mạch, sau đó các mạch có thể được biên dịch và chạy trên phần cứng để tính CLOPS.
Tốc độ, vận tốc
Thông qua nghiên cứu sâu rộng của mình, IBM đã phát triển một số cách để đạt được tốc độ mạch tăng lên, chẳng hạn như:
- Cổng nhanh chuyển thành các hoạt động nhanh hơn trên qubit.
- Các bản đọc nhanh có độ trung thực cao để giảm thiểu thời gian cần thiết để đặt lại và sử dụng lại qubit.
- Bộ điều khiển điện tử tiên tiến cung cấp các hoạt động nhanh hơn để chuẩn bị các thanh ghi chạy mạch tiếp theo, đặt lại nhanh 10-20 micro giây qubit và kiểm soát tổng thể tốt hơn. Trong phần tiếp theo, một hệ thống điều khiển tiên tiến được sử dụng để mô phỏng một phân tử hyđrua liti đã cung cấp khả năng đọc tốt hơn và hiệu suất thiết lập lại qubit nhanh hơn. Nó làm giảm thời gian thực thi của mỗi lô mạch từ 1.000 micro giây xuống 70 micro giây.
- Qiskit Runtime tăng tốc thời gian xử lý lên tới 120x. Máy tính cổ điển và máy tính lượng tử làm việc cùng nhau trong một kiến trúc làm giảm độ trễ bằng cách định vị các tài nguyên cổ điển gần với quá trình xử lý lượng tử. Về cơ bản, Qiskit Runtime hoạt động như một dịch vụ được chứa trong máy tính lượng tử. Việc chạy các chương trình lượng tử trong môi trường thực thi Qiskit Runtime sẽ tận dụng tối đa khả năng xử lý hầu hết công việc của đám mây lai IBM.
Tại sao tốc độ cổng qubit và chất lượng qubit lại quan trọng
Mô phỏng các phân tử hóa học lớn là một nhiệm vụ mà chúng tôi mong đợi các máy tính lượng tử trong tương lai sẽ thực hiện. Tuy nhiên, nó sẽ yêu cầu hàng triệu qubit chạy trên một máy tính lượng tử có khả năng chịu lỗi. Một máy tính lượng tử có kích thước và khả năng như vậy vẫn còn nhiều năm nữa.
Hiện tại, sức mạnh của máy tính lượng tử hiện nay giới hạn mô phỏng ở các phân tử nhỏ. Trong trường hợp của hình trên, IBM đã tính toán năng lượng liên kết của một phân tử lithium hydride (LiH) hai nguyên tử. Mô phỏng được thực hiện hoàn toàn trên đám mây bằng cách sử dụng tính năng giảm thiểu lỗi để giảm lỗi. Nó cũng sử dụng Qiskit Runtime, mang lại lợi thế về tốc độ đáng kể.
Quá trình tính toán cần chạy 4,8 tỷ mạch lượng tử được truyền qua lại giữa máy tính cổ điển và máy tính lượng tử. Vấn đề, được định nghĩa là một mạch lượng tử, được đánh giá bởi máy tính lượng tử, sau đó được cập nhật bởi máy tính cổ điển để tìm ra giá trị tối ưu, và sau đó được gửi trở lại máy tính lượng tử để chạy tiếp. Quá trình đó được lặp lại cho đến khi tìm ra giải pháp.
Ngoài những cải tiến trong thuật toán, tốc độ và chất lượng phần cứng đóng một vai trò thiết yếu trong việc giảm số lần lặp lại. Hiệu suất bộ xử lý được cải thiện dẫn đến giảm 10 lần số lần chạy mạch lặp lại theo yêu cầu của mỗi lần lặp lại thuật toán.
Cải tiến chất lượng và tốc độ trong hệ thống điều khiển dẫn đến khả năng đọc tốt hơn và hiệu suất thiết lập lại qubit nhanh hơn, giảm thời gian thực thi mỗi mạch lô từ 1.000 micro giây xuống 70 micro giây.
Điểm mấu chốt, tầm quan trọng của tốc độ trong tính toán lượng tử trở nên rõ ràng trong ví dụ này. Nhu cầu chạy 4,8 tỷ mạch lượng tử có nghĩa là tốc độ lặp lại mạch cao là rất quan trọng.
Chỉ xem xét một trong những yếu tố trong thí nghiệm này đã nhấn mạnh lý do tại sao tốc độ lượng tử là cần thiết. Bằng cách chỉ yêu cầu micro giây để đặt lại thanh ghi qubit, thử nghiệm đã có thể hoàn thành sau vài giờ. Mặt khác, nếu nó cần đến mili giây, thì sẽ mất gần một năm để có được kết quả. Hiếm có nhà nghiên cứu nào bắt đầu một thử nghiệm có kết quả sau một năm nữa.
Kết thúc
Jay Gambetta là Thành viên và Phó chủ tịch của IBM, Máy tính lượng tử. Trong một hội nghị phân tích gần đây, ông nói: “Chúng tôi dự đoán rằng với Eagle, người dùng của chúng tôi sẽ có thể khám phá lãnh thổ tính toán chưa được khai thác và trải nghiệm một cột mốc quan trọng trên con đường hướng tới tính toán lượng tử thực tế.”
Gambetta giải thích thêm rằng IBM muốn bắt đầu tập trung vào công việc hữu ích mà qubit có thể làm và bắt đầu nói về hiệu suất.
Về mặt cá nhân, tôi mong muốn được xem các bài báo do các nhà nghiên cứu viết bằng cách sử dụng bộ xử lý 127-qubit mới của IBM. Hơn 700 bài báo đã được viết bằng các phiên bản đầu tiên của hệ thống Lượng tử IBM.
Tuy nhiên, IBM đang tiến rất nhanh. Theo các ngày trong lộ trình của nó, bộ xử lý 433-qubit chỉ còn một năm nữa. Sau đó, 12 tháng sau, chúng tôi đang ở trong một cuộc điều trị thực sự khi Condor 1121-qubit xuất hiện trực tuyến.
