IBM i AMD povezuju kvantna i klasična računala

IBM, AMD i Quantum Science Center pri američkom Nacionalnom laboratoriju Oak Ridge predstavili su u Poughkeepsieju zajedničku platformu za ispravljanje kvantnih pogrešaka. IBM-ovi procesori Quantum Nighthawk sa 120 fizičkih kubita postavljeni su uz računalni sustav Umbra, koji koristi grafičke akceleratore AMD Instinct MI355X i procesore EPYC pete generacije.

Blizina dvaju sustava smanjuje kašnjenje između kvantnog mjerenja i klasične obrade. Kubiti su osjetljivi na šum, pa se informacije kodovima za ispravljanje pogrešaka raspoređuju na više fizičkih kubita radi zaštite logičkih kubita i stalno provjeravaju znakove pogreške. Klasični dekoder mora iz rezultata mjerenja dovoljno brzo zaključiti što se dogodilo i vratiti korekciju prije nastavka izračuna.

Platforma je povezana s američkom misijom Quantum Genesis, čiji natječaj cilja 100 logičkih kubita na kojima se može izvesti 100.000 složenih operacija do kraja 2028. IBM navodi da su javno praćeni pokusi trenutačno dosegnuli do 70 logičkih kubita i 438 takvih operacija. Za ostvarenje cilja zato je potreban približno 230 puta veći broj operacija, uz istodobno očuvanje točnosti.

Nighthawk koristi kvadratnu mrežu veza između kubita, visoku brzinu izvođenja sklopova i kontrolu impulsa u stvarnom vremenu. Istraživači mogu mjeriti kubite usred izračuna, djelovati prema rezultatu i pristupiti sirovim mjernim signalima. Umbra zatim preuzima treniranje i izvršavanje dekodera, optimizaciju sklopova i orkestraciju cijelog hibridnog tijeka rada.

Zajedničko okruženje omogućuje usporedbu različitih kodova prema broju potrebnih fizičkih kubita, vremenu, količini uzoraka i klasičnim računalnim resursima. Partneri će proučavati hijerarhijske i prostorno-vremenske kodove, dekodere prilagođene algoritmu te kompilaciju koja uzima u obzir svojstva konkretnog hardvera.

IBM i AMD već su demonstrirali algoritam za dekodiranje kvantnih pogrešaka na AMD-ovu hardveru, a GPU-ove koriste i za ubrzavanje klasičnog koraka u metodi sample-based quantum diagonalization (SQD). Oak Ridge daje vezu prema širem superračunalnom ekosustavu, uključujući iskustvo s Frontierom u simulacijama materijala i molekularnih konfiguracija.

Istraživačka platforma nije gotov kvantni proizvod. Nije objavljena cijena, kapacitet za vanjske korisnike ni raspored pojedinih pokusa, a cilj za 2028. pripada državnoj misiji, ne jamstvu dobavljača. Rezultati bi ipak trebali utjecati na dizajn IBMova sustava Starling, prvog kompanijina planiranog računala otpornog na pogreške.

Prve rezultate pokazat će usporedba dekodera i arhitektura na stvarnim Nighthawk procesorima, uz podatke o kašnjenju i broju ispravljenih operacija. IBM planira Starling za 2029., dok Quantum Genesis traži znanstveno relevantan sustav godinu ranije; nova platforma treba pokazati može li klasični dio pratiti povećanje kvantnog opterećenja.

Logički kubit nije pojedinačni fizički element, nego informacija raspoređena preko više kubita i zaštićena ponavljanim provjerama. Što je kod snažniji, to raste količina mjernih podataka koju klasični sustav mora obraditi. Ako dekoder kasni, kvantni procesor mora čekati ili nastaviti bez pravodobne korekcije, pa prednost bržeg kvantnog hardvera nestaje. Zbog toga su GPU propusnost, memorija i mrežna latencija sastavni dio arhitekture računala otpornog na pogreške.

Platforma će biti korisna i prije nego što nastane potpuno tolerantno računalo. Istraživači mogu mjeriti koji dio posla pripada CPU-u, koji GPU-u, a koji kvantnom procesoru, te mijenjati kodove bez gradnje zasebnog klastera. Dobiveni profil opterećenja može usmjeriti buduće proizvode AMD-a i IBM-a, uključujući mrežne veze i otvoreni softver. Međutim, rezultat pojedinog eksperimenta neće sam potvrditi kvantnu prednost; ona traži usporedbu s najboljom klasičnom metodom za isti problem.

Cilj od 100.000 operacija odnosi se na logičke, zaštićene operacije, a ne na sirove impulse fizičkih kubita. To je stroži pokazatelj jer uključuje održavanje informacije kroz dublji izračun. Ako platforma pokaže da dekoder može pratiti takav ritam, istraživači će dobiti jasniji proračun potrebnog broja GPU čvorova, potrošnje energije i mrežne propusnosti za buduće kvantne sustave.