IBM и AMD объединили квантовые процессоры с суперкомпьютерами для исправления ошибок
Новая система предназначена для разработки и испытания методов квантовой коррекции ошибок — одной из главных технологий, необходимых для создания практически полезных квантовых компьютеров. Платформа уже развёрнута на исследовательской площадке IBM в Покипси, штат Нью-Йорк. В её состав входят квантовые процессоры IBM Quantum Nighthawk с 120 кубитами и вычислительный комплекс Umbra, использующий графические ускорители AMD Instinct MI355X и серверные процессоры AMD EPYC пятого поколения.
В отличие от обычных компьютеров, которые используют двоичные биты, квантовые системы оперируют кубитами. Они позволяют выполнять вычисления с использованием квантовых состояний, но чрезвычайно чувствительны к внешним воздействиям, шумам и неточностям управляющих сигналов. Даже небольшие ошибки могут нарушить последовательность вычислений и сделать результат непригодным для использования. Для решения этой проблемы разрабатываются методы квантовой коррекции ошибок (Quantum Error Correction, QEC). Они распределяют информацию между несколькими физическими кубитами и используют повторяющиеся проверки для обнаружения нарушений. На основе результатов этих проверок классический компьютер должен определить, какая ошибка произошла и как её исправить.
Особенно сложной задачей становится скорость обработки таких измерений. Квантовый процессор продолжает работу, пока классическая система анализирует полученные данные. Если обработка занимает слишком много времени, результаты коррекции теряют актуальность, а вычисления становятся менее надёжными. Именно здесь должны помочь ускорители AMD. Графические процессоры способны параллельно обрабатывать большие массивы данных, необходимые для определения ошибок, а серверные центральный процессоры (CPU) обеспечивают координацию вычислений и выполнение управляющего программного обеспечения.
«Теперь вопрос уже не в том, будет ли коррекция ошибок работать на квантовом оборудовании», — заявил Джей Гамбетта, директор IBM Research. «Перед исследователями стоит следующая задача: ускорить и оптимизировать коррекцию ошибок настолько, чтобы квантовые системы могли применяться для решения значимых научных проблем».
Новая платформа позволит сравнивать архитектуры, программные инструменты и вычислительные процессы, которые способны масштабироваться вместе с количеством кубитов. Совместное размещение квантового компьютера и высокопроизводительного комплекса также уменьшает задержки передачи информации. Ранее исследователям нередко приходилось подключаться к квантовым процессорам через облачные интерфейсы, выполнять классические вычисления на отдельных серверах и самостоятельно согласовывать работу нескольких систем. Теперь исследовательская инфраструктура объединена в одном центре, что позволит тестировать различные варианты взаимодействия квантовых и классических процессоров.
Для проведения экспериментов IBM предоставляет доступ к низкоуровневым функциям управления квантовым оборудованием. Через программный интерфейс IBM Quantum System API специалисты смогут считывать состояние кубитов непосредственно в ходе вычислений, изменять временные параметры управляющих импульсов и анализировать исходные сигналы измерений. Разработчики планируют исследовать несколько перспективных методов коррекции ошибок, включая многоуровневые коды, пространственно-временные алгоритмы и декодеры, учитывающие особенности конкретного оборудования. Платформа также поможет определить, какие операции эффективнее выполнять на квантовом процессоре, какие — на CPU, а какие целесообразно передавать графическим ускорителям.
«Следующая эпоха вычислений объединит новую квантовую парадигму с десятилетиями развития классического оборудования», — отметил Марк Пейпермастер, исполнительный вице-президент и технический директор AMD.
Компания AMD уже сотрудничает с IBM в области ускорения квантовых алгоритмов на графических процессорах (GPU). В частности, специалисты исследовали применение ускорителей AMD для математических операций в методе Sample-based Quantum Diagonalization (SQD), используемом при решении задач квантовой химии. Новая платформа станет частью более масштабной программы Министерства энергетики США Quantum Genesis Mission. Одна из её целей — к концу 2028 года добиться выполнения 100 тысяч сложных логических операций на системе со 100 логическими кубитами. Для сравнения, в ранее продемонстрированных экспериментах IBM достигла показателей до 70 логических кубитов и 438 таких операций. Чтобы выйти на целевой уровень, необходимо увеличить число выполняемых операций примерно в 230 раз.
Трэвис Хамбл, директор Центра квантовых исследований Quantum Science Center, рассчитывает, что комплекс Umbra позволит исследователям проверять новые подходы к коррекции ошибок в существенно большем масштабе. Его команда будет использовать платформу для оценки алгоритмов и подготовки более надёжных квантовых вычислительных систем. В дальнейшем инфраструктуру планируется связать с вычислительным центром под названием Oak Ridge Leadership Computing Facility, управляющим крупнейшими суперкомпьютерными ресурсами лаборатории. Полученные результаты также могут использоваться при разработке IBM Quantum Starling — перспективного отказоустойчивого квантового компьютера компании.
