Auf seinem heutigen Quantum Summit gab IBM die erfolgreiche Entwicklung seiner „Osprey“-QPU (Quantum Processing Unit) bekannt – seinem 433-Qubit-Roadmap-Ziel für 2022. Die neue QPU erhöht die Anzahl der funktionierenden Qubits innerhalb einer einzigen QPU erheblich – die „Eagle“-QPU der vorherigen Generation trug nur 127 davon.
Der neue Start ist ein weiterer zuversichtlicher Schritt für IBMs aggressive Quantencomputing-Roadmap, die darauf abzielt, bis 2030 QPUs mit Zehntausenden (vielleicht sogar Hunderttausenden) von Qubits bereitzustellen.
“Der neue 433-Qubit-Prozessor “Osprey” bringt uns dem Punkt einen Schritt näher, an dem Quantencomputer zur Lösung bisher unlösbarer Probleme eingesetzt werden”, sagte Dr. Darío Gil, Senior Vice President, IBM und Forschungsdirektor.
„Wir skalieren und entwickeln unsere Quantentechnologie über Hardware, Software und klassische Integration hinweg kontinuierlich weiter, um die größten Herausforderungen unserer Zeit gemeinsam mit unseren Partnern und Kunden weltweit zu meistern. Diese Arbeit wird sich als grundlegend für die kommende Ära von erweisen Quantenzentriertes Supercomputing.“
Die Markteinführung von Osprey ist für IBM von großer Bedeutung: Genau in der Mitte der IBM-Roadmap bringt es die größte Steigerung der Anzahl von Qubits in einem einzigen Chip. Im Vergleich zu Eagle erhöht Osprey die Anzahl der Qubits um das 3,4-fache; Es ist ein noch größerer Anstieg der Qubit-Zahlen, als das Unternehmen in drei Jahren erwartet, wenn es die Einführung der 4.158-Qubit-Kookaburra-QPU plant. Es ist auch höher als jeder andere Qubit-Sprung seit der Einführung von Falcon und seinen 27 Qubits im Jahr 2019.
Aufgrund der Positionierung von Osprey innerhalb der IBM-Roadmap – kurz bevor das Unternehmen beginnt, die Quantenskalierung durch die Verbindung mehrerer QPUs im nächsten Jahr mit Heron und seinen zu erforschen p Kopplungen – die Erhöhung der Qubit-Anzahl ohne Qualitätseinbußen ist außerordentlich relevant. Aber vielleicht noch beeindruckender ist die Tatsache, dass dieser Anstieg der Qubit-Anzahl zur gleichen Zeit entwickelt wurde, als IBM die meisten Grundlagen für seine zukünftigen modularen Produkte legte.
Das Unternehmen plant bis 2023 die Einführung seiner skalierbaren 133-Qubit-Heron-QPUs, die p-Kopplungen nutzen werden, um mehrere Heron-Chips miteinander zu verbinden. Die Idee ist, dass es einfacher ist, Qubits innerhalb eines bestimmten Pakets zu skalieren und separate Pakete zu verknüpfen, als eine monolithische QPU zu erstellen.
Es bringt Herausforderungen in Bezug auf die Verteilung der Arbeitslast mit sich – es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, ein Quantenproblem mit größerem Volumen so zu zerschneiden, dass es zu dem Chip (oder den Chips) passt, auf dem Sie die Quantenschaltungen ausführen können, und wie dies geschieht wirkt sich stark auf die Leistung aus. Aber die Multi-Chip-Skalierung ist eine Notwendigkeit, und die Übernahme dieses Ansatzes bedeutete eine Überarbeitung des gesamten Steuerelektronik-Subsystems – der Brücke zwischen klassischem und Quantencomputing.
Laut Dr. Oliver Dial, Chief Hardware Architect bei IBM Quantum, kam eine signifikante Verbesserung durch die Änderung des Qubit-Steuerungsmechanismus in den Verdünnungskühlschränken des Unternehmens – der Hardware, die für die Kühlung der supraleitenden Qubits auf nahezu den absoluten Nullpunkt (–273,15 °C) verantwortlich ist.
Vor Osprey verwendete IBM Koaxialkabel, um Mikrowellen-Steuerinformationen zu den arbeitenden Qubits zu übertragen. Jetzt sind die Koaxialkabel flexiblen Flachbandkabeln gewichen (die gleiche Art, die überall dort verwendet wird, wo es Elektronik und Scharniere gibt, wie in Ihrem Laptop). Diese Flachbandkabel selbst nehmen viel weniger Platz ein und bieten einen viel höheren Durchsatz als die vorherige Lösung, während die Bereitstellung weniger Zeit und Ressourcen kostet. Laut Dr. Dial konnte IBM die Kontrolldichte um 70 % erhöhen und gleichzeitig die Kosten verfünffachen.
Ein weiteres wichtiges Element dieser neuen Quantengeneration von IBM war die verbesserte FPGA-Leistung (Field-Programmable Gate Array) innerhalb des Steuerungssubsystems.
Während die Zukunft der Qubit-Steuerung von IBM durch quantenspezifische ASICs (Application-Specific Integrated Circuits) verläuft, haben FPGAs bisher aufgrund ihrer Flexibilität die Arbeit erledigt – IBM kann verschiedene Steuerungsschemata innerhalb des programmierbaren Designs des FPGA prototypisieren. Dies ermöglicht ein schnelles Experimentieren und Iterieren bis zu dem Zeitpunkt, an dem das Unternehmen zuversichtlich genug ist, den vollständigen ASIC-Weg zu gehen. Dr. Dial sagt, dass diese Änderung eine weitere monumentale Verbesserung der Energieeffizienz bringen wird, indem die Wattleistung, die zur Steuerung eines einzelnen Qubits erforderlich ist, von etwa 100 W auf nur 10 Milliwatt reduziert wird.
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Entscheidend ist, sagt Dr. Dial, dass die supraleitenden Qubits in Osprey Kohärenzzeiten gezeigt haben, die mit den besten des Unternehmens vergleichbar sind (trotz des enormen Anstiegs der Qubit-Anzahl), was bedeutet, dass das reine Quantenvolumen (eine Schätzung der Quantencomputerleistung, die IBM und andere Branchenakteure unterstützen) ist zwangsläufig im Einklang mit der Anzahl der Qubits zunehmen.
Laut IBM sind die Anzahl und Qualität der Qubits in Osprey so, dass ein klassisches System, das versucht, den Rechenzustand seiner Qubits zu beschreiben, mehr verfügbare Bits benötigen würde, als es Atome im Universum gibt. Es scheint, dass wir bereits in die Quantenvorteilsphase der Gleichung eingetreten sind.
Natürlich können sich Qubits sowohl in ihrer Anzahl als auch in ihrer Qualität verbessern, aber reine Quantenhardwarelösungen haben dem durchschnittlichen Benutzer wenig zu bieten. Dr. Dial wies schnell darauf hin, dass jetzt jeder – wirklich jeder – die Quantentechnologie von IBM über das Cloud-Angebot des Unternehmens weiter entwickeln kann.
Quantum Computing erfordert einen erheblichen Abstraktionsaufwand, der es Nicht-Quantenspezialisten ermöglicht, mit diesen Systemen zu interagieren, und IBM hat dies getan verdoppelte sich auch auf seine Quiskit Runtime-Software Um es den Benutzern zu erleichtern, ist das Tauschen von Laufzeit gegen Genauigkeit so einfach wie das Ändern einer Softwareeinstellung.
Durch Verbesserungen bei den Treibern, der Quiskit-Laufzeit und parametrisierten Schaltungsverbesserungen im Jahr 2022 hat IBM seine 1.400 CLOPS-Punktzahl auf rund 15.000 CLOPS gebracht – wenn AMDs treiberbasierte Leistungsverbesserungen auf seinen GPUs ihm den Spitznamen „feiner Wein“ eingebracht haben, Ich frage mich, welche Metapher für diese fast 11-fache Leistungssteigerung angemessen wäre.
Hardware-Verbesserungen sind eine notwendige Hälfte der Entwicklung eines neuen technologischen Systems; aber die andere Hälfte nutzt diese Hardware tatsächlich. Zu diesem Zweck kündigte IBM auf seinem Quantum Summit auch seine 100×100 Challenge an, eine Initiative, die darauf abzielt, den Benutzern bis 2024 eine Operationstiefe von 100 Qubit x 100 Gates in die Hände zu legen. Durch die Nutzung der modularen Quantenarchitektur der nächsten Generation des Unternehmens, Heron, IBM zielt darauf ab, Benutzer mit einem „Was passt hier?“ herauszufordern. Frage – welche Art von Quantencomputerproblem kann innerhalb dieser Einschränkungen verarbeitet werden?
Nach allem, was wir über Quantencomputing wissen, könnte aus dieser Herausforderung etwas ganz Besonderes entstehen – es geht nicht darum, ob die Menschheit signifikante Gewinne erzielen wird, wenn sie anfängt, Probleme mit Quantencomputing zu lösen. Es ist nur eine Frage des Wie und Wann – und diese Herausforderung gibt IBM eine todsichere Möglichkeit, dieses Gespräch am Laufen zu halten. Was schließlich eines der Anliegen des Unternehmens für seinen Quantum Summit 2022 ist.
„Der IBM Quantum Summit 2022 markiert einen entscheidenden Moment in der Entwicklung des globalen Quantencomputing-Sektors, während wir auf unserer Quanten-Roadmap voranschreiten. Wir werden weiter sehen, wie wir den Maßstab von Quantensystemen erhöhen und ihre Verwendung vereinfachen Akzeptanz und Wachstum der Quantenindustrie”, sagte Jay Gambetta, IBM Fellow und VP von IBM Quantum. „Unsere Durchbrüche definieren die nächste Quantenwelle, die wir quantenzentrisches Supercomputing nennen, bei der Modularität, Kommunikation und Middleware zu einer verbesserten Skalierung der Rechenkapazität und zur Integration von Quanten- und klassischen Arbeitsabläufen beitragen werden.“
Auf der Grundlage dieser Bemerkungen und IBMs Tempo der Quantenentwicklung (und der perfekten Ausführung gemäß seiner Roadmap) scheint sich die Wette des Unternehmens auf supraleitende Qubits auszuzahlen. Wie IBM gezeigt hat, steckt noch viel Leben in der Optimierung der Quantensysteme des Unternehmens, abgesehen von der Erhöhung der Qubit-Dichten und Kohärenzzeiten, die den Sprung vom 127-Qubit-Eagle zum 433-Qubit-Osprey ermöglicht haben.
Osprey hat jetzt die Flucht ergriffen, aber IBM hat nie aufgehört, in die Zukunft von Quanten zu blicken – und das setzt sich mit dem 1.121-Qubit-Condor von 2023 fort.