IBM a annoncé Nighthawk r3, son prochain processeur quantique, conçu pour exécuter avec précision 10 000 opérations quantiques sur 520 qubits programmables. La puce embarque 2 034 qubits physiques et ajoute 10 interconnexions entre puces. IBM prévoit d'en connecter deux pour former un système unique de 1 040 qubits en 2027. Cela représente 4.3 fois plus de qubits programmables que le Nighthawk r2 actuel et un tiers d'opérations supplémentaires par circuit. IBM n'a pas communiqué de date de disponibilité pour le r3 au-delà de 2027.
Architecture et interconnexions Nighthawk r3
Le Nighthawk r3 conserve la connectivité à réseau carré et les performances élevées du Nighthawk r2, qui dispose de 120 qubits programmables sur 458 qubits physiques. La nouveauté réside dans l'interconnexion : le r3 intègre 10 coupleurs en L, terme employé par IBM pour désigner les liaisons entre puces qui relient les processeurs au sein de systèmes plus vastes. Cette modularité est au cœur de la stratégie d'IBM, qui prévoit notamment que Starling, son système tolérant aux pannes pour 2029, nécessitera plus de 100 coupleurs en L fonctionnant de concert.
IBM a interconnecté cette année deux processeurs Nighthawk r1 via quatre coupleurs en L et a mesuré une fidélité de transfert d'état quantique moyenne de 99 %, avec un meilleur résultat de 99.3 %, contre un objectif de 99.9 %. L'entreprise a également intégré pour la première fois deux modules cryogéniques au sein d'un même système, lequel a atteint sa température de fonctionnement en moins de cinq jours et a été refroidi à moins de 15 millikelvins. Le système à 1 040 qubits prévu pour 2027 dépend de la confirmation de ces deux résultats à l'échelle r3.
« L’utilité de l’informatique quantique repose sur la capacité à fournir des résultats précis et rapides ; ces deux aspects sont fondamentaux », a déclaré Jay Gambetta, directeur de la recherche chez IBM et membre d’IBM. « Nighthawk nous en donne déjà un aperçu. À mesure que nous adapterons cette architecture à des ordinateurs quantiques plus grands et plus puissants, les capacités du calcul quantique atteindront de nouveaux sommets grâce à une intégration plus étroite avec les ressources classiques et à la progression vers la tolérance aux pannes. »
Résultats de charge de travail Nighthawk r2
IBM affirme que Nighthawk r2 offre jusqu'à 100 000 échantillons par seconde, soit un débit 25 fois supérieur à celui d'IBM Quantum Heron, et prend en charge des calculs précis grâce à plus de 7 500 opérations quantiques réparties sur ses 120 qubits. La vitesse est cruciale car chaque cycle de calcul renvoie un échantillon, et les applications décrites par IBM en nécessitent des millions, voire des milliards. Une réinitialisation rapide des qubits, effectuée à 100 kHz selon IBM, réduit le temps entre les cycles.
D'après IBM, des clients et partenaires, dont E.ON, Algorithmiq et Q-CTRL, ont exécuté 34 milliards de circuits sur Nighthawk r2 et constaté des gains de vitesse jusqu'à 19 fois supérieurs à ceux des processeurs IBM précédents. E.ON a notamment rapporté un gain de vitesse de 15 fois sur une charge de travail d'apprentissage automatique quantique pour l'optimisation des réseaux électriques. IBM a mesuré un gain de 12 fois lors d'une expérience menée avec le Laboratoire national d'Oak Ridge, simulant des matériaux magnétiques et produisant des résultats cohérents avec les expériences de diffusion de neutrons. Ces chiffres sont à comparer aux performances obtenues précédemment sur Heron.
Une expérience Algorithmiq simulant un matériau quantique hétérogène, initialement réalisée sur Heron dans le cadre des résultats sur l'avantage quantique publiés précédemment par IBM et ses partenaires, s'exécute désormais huit fois plus rapidement sur Nighthawk r2. IBM indique que la version r2 est également plus difficile à reproduire de manière classique, les principales méthodes de réseaux de tenseurs nécessitant environ 240 fois plus de mémoire pour une précision comparable. Ces résultats proviennent de fournisseurs et de partenaires ; nous ne les avons ni exécutés ni vérifiés.
Intégration informatique classique
La plateforme IBM Quantum Platform propose désormais des capacités de calcul haute performance (HPC) et classiques, ainsi que du matériel quantique, au sein d'un environnement unique et géré. Les utilisateurs peuvent connecter leurs flux de travail quantiques à des systèmes classiques externes, allant d'un ordinateur portable à un supercalculateur. IBM fournit ces flux de travail gérés via IBM Quantum Functions (anciennement Qiskit Functions), avec des capacités de calcul accélérées par GPU et utilisant une mémoire importante, des balayages de paramètres parallèles, un stockage persistant et une facturation à l'usage. Les charges de travail quantiques dépendent des systèmes classiques pour la correction des erreurs, l'apprentissage du bruit et le post-traitement. IBM prévoit une augmentation de cette demande à mesure que la taille des circuits augmente.
Lors des premières utilisations, les scientifiques d'IBM et de RIKEN ont accéléré leur flux de travail initial de diagonalisation quantique basée sur des échantillons d'environ cinq fois, tout en effectuant cent fois plus de calculs que dans l'étude originale. La Cleveland Clinic et RIKEN ont utilisé la plateforme pour traiter près de 608 millions d'échantillons afin de modéliser des structures biologiquement pertinentes, ce qui, selon IBM, a permis d'obtenir un débit 33 fois supérieur à celui obtenu sans automatisation du flux de travail.
La plateforme offre également des commandes au niveau des impulsions pour la recherche en correction d'erreurs quantiques, notamment pour la synchronisation des opérations, la réinitialisation plus rapide des qubits et la lecture des mesures. Ces travaux s'inscrivent dans le cadre de la plateforme de co-conception développée par IBM avec le Laboratoire national d'Oak Ridge et AMD. Cette plateforme place Nighthawk aux côtés du système de calcul haute performance Umbra d'ORNL et de ses GPU AMD Instinct MI355X et processeurs AMD EPYC de 5e génération, permettant ainsi aux chercheurs de développer conjointement la correction d'erreurs sur du matériel quantique et classique.
Amazon