IBM hat Nighthawk r3, seinen nächsten Quantenprozessor, angekündigt. Dieser ist für die präzise Ausführung von 10,000 Quantenoperationen auf 520 programmierbaren Qubits ausgelegt. Der Chip verfügt über 2,034 physikalische Qubits und zehn zusätzliche Chip-zu-Chip-Verbindungen. IBM plant, zwei dieser Chips im Jahr 2027 zu einem System mit 1,040 Qubits zu verbinden. Das entspricht dem 4.3-Fachen der Anzahl programmierbarer Qubits im Vergleich zum aktuellen Nighthawk r2 und einem Drittel mehr Operationen pro Schaltkreis. IBM hat über das Jahr 2027 hinaus noch keinen Verfügbarkeitstermin für den r3 genannt.
Nighthawk r3 Architektur und Verbindungen
Nighthawk r3 behält die quadratische Gitterstruktur und die hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit von Nighthawk r2 bei, der 120 programmierbare Qubits von insgesamt 458 physikalischen Qubits besitzt. Neu ist die Verbindung: r3 verfügt über 10 I-Koppler, IBMs Bezeichnung für die Chip-zu-Chip-Verbindungen, die Prozessoren zu größeren Systemen verbinden. Modulare Skalierung dieser Art ist ein zentraler Bestandteil der IBM-Roadmap. Das Unternehmen gibt an, dass Starling, das für 2029 geplante fehlertolerante System, mehr als 100 zusammenarbeitende I-Koppler benötigen wird.
IBM verband dieses Jahr zwei Nighthawk r1-Prozessoren über vier L-Koppler und erreichte eine durchschnittliche Quantenzustandsübertragungsgenauigkeit von 99 Prozent, mit einem Bestwert von 99.3 Prozent gegenüber dem Zielwert von 99.9 Prozent. Das Unternehmen integrierte außerdem erstmals zwei Kryomodule in ein System, das innerhalb von weniger als fünf Tagen die Betriebstemperatur erreichte und auf unter 15 Millikelvin abgekühlt wurde. Das für 2027 geplante 1,040-Qubit-System setzt voraus, dass diese Ergebnisse auch im r3-Maßstab bestätigt werden.
„Nützliches Quantencomputing hängt davon ab, ob Ergebnisse präzise und schnell geliefert werden können; beides ist grundlegend“, sagte Jay Gambetta, Direktor von IBM Research und IBM Fellow. „Nighthawk zeigt uns bereits heute, wie das aussehen kann. Mit der Skalierung dieser Architektur auf größere und leistungsfähigere Quantencomputer werden die Fähigkeiten des Quantencomputings neue Dimensionen erreichen, da wir es enger mit klassischen Ressourcen integrieren und die Fehlertoleranz vorantreiben.“
Nighthawk r2 Workload-Ergebnisse
IBM gibt an, dass Nighthawk r2 bis zu 100,000 Messungen pro Sekunde ermöglicht – eine 25-fache Steigerung gegenüber IBM Quantum Heron – und präzise Berechnungen mit über 7,500 Quantenoperationen auf seinen 120 Qubits unterstützt. Geschwindigkeit ist entscheidend, da jeder Schaltkreislauf eine Messung liefert und die von IBM beschriebenen Anwendungen Millionen bis Milliarden davon benötigen. Ein schneller Qubit-Reset, den IBM mit 100 kHz realisiert, verkürzt die Zeit zwischen den Durchläufen.
Kunden und Partner, darunter E.ON, Algorithmiq und Q-CTRL, haben laut IBM 34 Milliarden Schaltkreise auf Nighthawk r2 ausgeführt und dabei Geschwindigkeitssteigerungen von bis zu 19x gegenüber früheren IBM-Prozessoren erzielt. E.ON berichtete von einer 15-fachen Beschleunigung bei einer Quanten-Machine-Learning-Anwendung zur Optimierung von Energienetzen. IBM maß eine 12-fache Beschleunigung in einem Experiment mit dem Oak Ridge National Laboratory, das magnetische Materialien simulierte und Ergebnisse lieferte, die mit Neutronenstreuexperimenten übereinstimmten. Beide Werte beziehen sich auf frühere Arbeiten mit Heron.
Ein Algorithmiq-Experiment, das ein heterogenes Quantenmaterial simuliert und ursprünglich auf Heron im Rahmen der von IBM und seinen Partnern veröffentlichten Ergebnisse zum Quantenvorteil ausgeführt wurde , läuft nun auf Nighthawk r2 achtmal schneller. Laut IBM ist die r2-Version auch klassisch schwieriger zu reproduzieren; führende Tensornetzwerk-Methoden benötigen schätzungsweise 240-mal mehr Speicher für vergleichbare Genauigkeit. Diese Ergebnisse stammen von Hersteller und Partnern und wurden von uns weder ausgeführt noch geprüft.
Klassische Computerintegration
Die IBM Quantum Platform bietet jetzt HPC und klassisches Rechnen zusammen mit Quantenhardware in einer verwalteten Umgebung. Nutzer können Quanten-Workflows mit externen klassischen Systemen verbinden – vom Laptop bis zum Supercomputer. IBM stellt dies als verwaltete Workflows in IBM Quantum Functions bereit, dem ehemaligen Qiskit Functions-Stack, mit speicherintensivem und GPU-beschleunigtem Rechnen, parallelen Parameter-Sweeps, persistentem Speicher und nutzungsbasierter Abrechnung. Quanten-Workloads sind für Fehlerkorrektur, Rauschlernen und Nachbearbeitung auf klassische Systeme angewiesen, und IBM erwartet, dass diese Nachfrage mit der Skalierung der Schaltkreise steigen wird.
In der ersten Anwendungsphase konnten Wissenschaftler von IBM und RIKEN ihren ursprünglichen, probenbasierten Workflow zur Quantendiagonalisierung etwa fünfmal schneller durchführen und dabei 100-mal mehr Berechnungen als in der ursprünglichen Studie ausführen. Die Cleveland Clinic und RIKEN nutzten die Plattform, um rund 608 Millionen Proben für die Modellierung biologisch relevanter Strukturen zu verarbeiten. Laut IBM war dies 33-mal schneller als ohne Workflow-Automatisierung.
Die Plattform bietet zudem Steuerungsmöglichkeiten auf Pulsebene für die Quantenfehlerkorrekturforschung, darunter Timing-Optimierung, schnelleres Qubit-Reset und Messwertauslesung. Diese Arbeit ist in die gemeinsam von IBM, dem Oak Ridge National Laboratory (ORNL) und AMD entwickelte Co-Design-Plattform integriert. Diese Plattform integriert Nighthawk neben das Umbra-HPC-System des ORNL mit seinen AMD Instinct MI355X-GPUs und AMD EPYC-CPUs der 5. Generation, sodass Forscher die Fehlerkorrektur in Quanten- und klassischer Hardware gemeinsam entwickeln können.
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