IBM, AMD und das Quantum Science Center des US-Energieministeriums am Oak Ridge National Laboratory (ORNL) stellten heute eine gemeinsame Entwicklungsplattform für Quantenfehlerkorrektur vor. Diese basiert auf Quanten- und klassischer Hardware, die sich in derselben Einrichtung befinden. Am IBM-Quantenstandort in Poughkeepsie, New York, sind IBM-Quantencomputer, darunter der 120-Qubit- Prozessor IBM Quantum Nighthawk, zusammen mit Umbra, einem Hochleistungsrechnersystem des ORNL, das auf AMD Instinct MI355X-GPUs und AMD EPYC-Prozessoren der 5. Generation basiert, untergebracht. Die AMD-Hardware deckt den klassischen Teil der Forschung ab: Dekodierung, Optimierung und Software-Orchestrierung.
Klassisches Rechnen für die Quantenfehlerkorrektur
Fehlerkorrekturcodes verteilen Quanteninformationen auf viele physikalische Qubits und führen wiederholte Prüfungen auf Fehler durch. Ein klassischer Computer liest jede Prüfrunde aus und ermittelt die fehlerhaften Qubits – ein Vorgang, den IBM als Dekodierung bezeichnet. Der Dekodierer muss mit dem Quantenprozessor Schritt halten. Da Quantencomputer und HPC-Cluster heutzutage selten im selben Rechenzentrum untergebracht sind, greifen Forscher über die Cloud auf die Quantenmaschine zu, führen die klassischen Berechnungen auf separaten Systemen durch und verbinden beide über separate APIs. Jede dieser Übergaben führt zu Verzögerungen und schränkt die Anzahl der durchführbaren Experimente ein.
Die Plattform ordnet die beiden Hälften nebeneinander an, sodass Forscher die Fehlerkorrektur auf realer Quantenhardware innerhalb der vorgesehenen Arbeitsabläufe testen können, ohne die Infrastruktur selbst aufbauen zu müssen. Laut IBM umfasst die Arbeit verkettete Codes, Raum-Zeit-Codes, algorithmenbewusste Decoder, hardwarebewusste Schaltungsoptimierung und -kompilierung sowie Software-Orchestrierung in einem einzigen Stack.
Ein Ziel ist die hierarchische Fehlerkorrektur, bei der ein innerer Code, der die Qubits innerhalb eines Moduls schützt, unter einem äußeren Code geschichtet wird, der die logischen Qubits des inneren Codes umschließt. IBM-Forschungsergebnisse beziffern die Anzahl der logischen Operationen dieses Ansatzes auf eine Billion bei einer physikalischen Fehlerrate von eins zu tausend, wobei die Dekodierung auf jeder Ebene erfolgt.
„Mit Umbra werden wir nun neue Ideen testen, Ansätze im großen Maßstab evaluieren und die Grundlage für zuverlässigere Quantencomputer schaffen“, sagte Travis Humble, Direktor des Quantum Science Center.
MI355X-GPUs und EPYC-CPUs der 5. Generation in Umbra
Im Bereich der Quantenphysik bietet Nighthawk Forschern eine quadratische Gitterkonnektivität – die höchste aller IBM-Prozessorarchitekturen –, einen hohen Schaltungsdurchsatz und Echtzeit-Pulssteuerung über die IBM Quantum System API. Forscher können Qubits mitten im Schaltkreis messen, in Echtzeit auf die Ergebnisse reagieren, die exakte Timing-Anpassung der Signale vornehmen, die die Qubits vor Rauschen schützen, und direkt mit den Rohmesssignalen arbeiten. So kann ein Team vergleichen, welchen Aufwand die verschiedenen Fehlerkorrekturmethoden in Bezug auf Qubits, Zeit, Abtastwerte und klassische Ressourcen betreiben, und feststellen, wo die GPU-Beschleunigung den größten Nutzen bringt.
Auf der klassischen Seite ermöglichen die MI355X-Beschleuniger Forschern das Training und die Evaluierung von Decodern in großem Umfang, während die EPYC-CPUs die Orchestrierung übernehmen. Die räumliche Nähe der Prozessoren sorgt für geringe Latenzzeiten sowohl beim Decodieren als auch bei der bedingten Ausführung, bei der ein Quantenprogramm seine nächste Operation anhand einer während der Berechnung durchgeführten Messung auswählt. Weder IBM noch AMD haben Angaben zu Knotenanzahlen, GPU- oder CPU-Mengen, Latenzzeiten beim Decodieren oder Benchmarks für den Einsatz veröffentlicht. AMD hat adaptive SoCs und FPGAs für latenzarme Steuerung und Auslesung sowie ROCm zur Orchestrierung von Quantenbeschleunigern als Teil seiner hybriden Quantenstrategie separat beschrieben , diese werden in der Ankündigung jedoch nicht in Umbra verortet.
Die Plattform baut auf früheren Kooperationen der drei Organisationen auf. IBM und ORNL arbeiten bereits über das Quantum Science Center zusammen und haben gemeinsam demonstriert, wie sich Arbeitslasten zwischen IBM-Quantencomputern und dem Supercomputer Frontier verteilen lassen, um magnetische Materialien zu simulieren und Molekülkonfigurationen eines potenziellen Fusionsbrennstoffmaterials zu berechnen. IBM nutzt in Zusammenarbeit mit AMD AMD-GPUs, um den klassischen Diagonalisierungsschritt bei der stichprobenbasierten Quantendiagonalisierung zu beschleunigen. Die beiden Unternehmen haben zudem einen Algorithmus zur Dekodierung von Quantenfehlern auf AMD-Chips vorgestellt.
Geplante Verbindungen zum ORNL-Supercomputing
Die Plattform wird mit dem Oak Ridge Leadership Computing Facility in Oak Ridge, Tennessee, verbunden. ORNL beschreibt zudem eine Anbindung an Lux, seinen AMD-basierten Supercomputer, um Quantenberechnungen in die umfassendere KI- und wissenschaftliche Recheninfrastruktur des Labors zu integrieren. IBM und AMD geben an, dass die Zusammenarbeit die gemeinsame Entwicklung zukünftiger Generationen von AMD-Rechen-, Netzwerk- und Open-Source-Software mit Quantencomputern erforschen wird. Diese Verbindungen sind planmäßig, und die Ankündigung nennt weder einen Fertigstellungstermin noch einen Zeitplan für den externen Zugriff oder einen Meilenstein für die allgemeine Verfügbarkeit der Plattform.
Diese Bemühungen stehen im Einklang mit der Quantum Genesis Mission des US-Energieministeriums (DOE) und deren Ziel, bis 2028 einen wissenschaftlich relevanten Quantencomputer zu entwickeln. Der Q-Wettbewerb der Mission zielt darauf ab, bis Ende 2028 100 logische Qubits mit 100,000 komplexen Operationen zu erreichen. IBMs aktuelle Experimente erreichen 70 logische Qubits und 438 komplexe Operationen – ein Unterschied von etwa dem 230-Fachen in der Anzahl der Operationen. IBM erklärt, dass die Erkenntnisse der Teams über Fehlerkorrektur und HPC-Workflows in IBM Quantum Starling einfließen werden , dem fehlertoleranten Quantencomputer, dessen Auslieferung für 2029 geplant ist.
„Diese Co-Design-Plattform ist ein wichtiger Schritt hin zum Aufbau der skalierbaren, effizienten Computerinfrastruktur, die für die Realisierung fehlertoleranten Quantencomputings erforderlich ist“, sagte Mark Papermaster, Executive Vice President und Chief Technology Officer von AMD.
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