IBM、AMD、および米国エネルギー省オークリッジ国立研究所の量子科学センターは本日、量子誤り訂正のための共同設計プラットフォームを発表した。このプラットフォームは、同一施設内に設置された量子ハードウェアと古典ハードウェアを中心に構築されている。ニューヨーク州ポキプシーにあるIBMの量子サイトでは、120量子ビットのIBM Quantum Nighthawkプロセッサを含むIBMの量子コンピュータが、AMD Instinct MI355X GPUと第5世代AMD EPYC CPUをベースに構築されたORNLの高性能コンピューティングシステムであるUmbraと併設されている。AMDのハードウェアは、復号、最適化、ソフトウェアオーケストレーションといった、研究の古典的な側面を担う。
量子誤り訂正のための古典コンピューティング
誤り訂正符号は、量子情報を多数の物理量子ビットに分散させ、繰り返しチェックを実行して異常の兆候を探します。古典コンピュータは、各チェックラウンドを読み取り、どの量子ビットに異常が発生したかを判断します。IBMはこの作業を復号化と呼んでおり、復号化装置は量子プロセッサの速度に追随する必要があります。現在、量子コンピュータとHPCクラスタが同じ施設に設置されることは稀であるため、研究者はクラウド経由で量子マシンにアクセスし、別のシステムで古典コンピュータの処理を実行し、別々のAPIを介して両者を接続します。このようなハンドオフのたびに遅延が発生し、チームが実行できる実験が制限されます。
このプラットフォームは、2つの部分を隣接させることで、研究者が自らインフラを構築することなく、本来のワークフロー内で実際の量子ハードウェア上でエラー訂正をテストできるようにする。IBMによると、この取り組みは、連結符号、時空間符号、アルゴリズム対応デコーダ、ハードウェア対応回路最適化とコンパイル、そしてソフトウェアオーケストレーションを単一のスタックで実現するというものだ。
目標の一つは階層型誤り訂正であり、これはモジュール内の量子ビットを保護する内部コードを、その内部コードの論理量子ビットを包む外部コードの下に重ねる方式である。IBMの研究によると、この方式では、各層で復号化が行われ、1兆回の論理演算で1000分の1の物理的エラー率を実現できるという。
「Umbraによって、私たちは新たなアイデアを検証し、大規模なアプローチを評価し、より信頼性の高い量子コンピュータの基盤を構築していくことになるでしょう」と、量子科学センター所長のトラビス・ハンブル氏は述べた。
UmbraにおけるMI355X GPUと第5世代EPYC CPU
量子コンピューティングの分野では、NighthawkはIBMプロセッサアーキテクチャの中で最高レベルの正方格子接続性、高い回路スループット、そしてIBMのQuantum System APIを介したリアルタイムのパルス制御を研究者に提供します。研究者は回路の途中で量子ビットを測定し、その結果に基づいてリアルタイムで処理を行い、量子ビットをノイズから保護する信号の正確なタイミングを設定し、生の測定信号を直接操作できます。これにより、各誤り訂正方式に必要な量子ビット数、時間、サンプル数、および古典的リソースを比較し、GPUアクセラレーションが最も効果を発揮する箇所を特定できます。
古典的な側面では、MI355X アクセラレータにより、研究者はデコーダを大規模にトレーニングおよび評価でき、EPYC CPU がオーケストレーションを処理します。コロケーションにより、デコードと条件付き実行のレイテンシが低く抑えられます。条件付き実行では、量子プログラムは計算の途中で取得された測定値に基づいて次の操作を選択します。IBM も AMD も、ノード数、GPU または CPU の数、デコードレイテンシの数値、または展開のベンチマークを公表していません。AMD は、ハイブリッド量子戦略の一環として、低レイテンシの制御と読み出しのための適応型 SoC と FPGA、および量子アクセラレータをオーケストレーションするための ROCm を別途説明していますが、この発表ではそれらが Umbra に含まれるとはされていません。
このプラットフォームは、3つの組織間のこれまでの協力関係をさらに発展させたものです。IBMとORNLは既に量子科学センターを通じて協力しており、IBMの量子コンピュータとFrontierスーパーコンピュータにワークロードを分割し、磁性材料のシミュレーションや核融合燃料候補材料の分子構造の計算を行っています。IBMはAMDと協力し、AMDのGPUを使用してサンプルベース量子対角化における古典的な対角化ステップを高速化しており、両社はAMDチップ上で量子エラーを解読するアルゴリズムを実証しています。
オークリッジ国立研究所のスーパーコンピューティングシステムへの接続計画
このプラットフォームは、テネシー州オークリッジにあるオークリッジ・リーダーシップ・コンピューティング施設と接続され、オークリッジ国立研究所（ORNL）は、AMDベースのスーパーコンピュータ「Lux」との接続についても説明しており、量子コンピューティングを研究所のより広範なAIおよび科学計算インフラストラクチャの一部として実行できるようにする。IBMとAMDは、この協力により、将来の世代のAMDコンピューティング、ネットワーク、およびオープンソフトウェアを量子コンピュータと共同設計する方法を探求すると述べている。これらの接続は計画されていると説明されているが、発表ではプラットフォームの完了日、外部アクセススケジュール、または一般提供開始のマイルストーンは示されていない。
この取り組みは、DOE（米国エネルギー省）のQuantum Genesis Mission（量子創世ミッション）の目標、すなわち2028年までに科学的に有用な量子コンピュータを実現するという目標と合致している。同ミッションのQコンペティションは、2028年末までに100個の論理量子ビットで100,000万回のハード演算を実行することを目標としているが、IBMの現在の実験では70個の論理量子ビットと438回のハード演算にとどまっており、演算回数では約230倍の差がある。IBMは、チームがエラー訂正とHPC（高性能計算）ワークフローについて得た知見が、2029年までに提供予定の耐障害性量子コンピュータであるIBM Quantum Starlingの開発に役立つと述べている。
「この共同設計プラットフォームは、耐障害性量子コンピューティングを実現するために必要な、拡張性と効率性に優れたコンピューティングインフラストラクチャの構築に向けた重要な一歩です」と、AMDのエグゼクティブバイスプレジデント兼最高技術責任者であるマーク・ペーパーマスター氏は述べています。
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