IBMは、次世代量子プロセッサ「Nighthawk r3」を発表した。これは、520個のプログラム可能な量子ビットで1万回の量子演算を正確に実行するように設計されている。このチップは2,034個の物理量子ビットを搭載し、10個のチップ間相互接続を追加している。IBMは、2027年にこのチップを2つ接続して、1,040個の量子ビットを持つ単一のシステムを構築する予定だ。これは、現在のNighthawk r2のプログラム可能な量子ビット数の4.3倍であり、回路あたりの演算回数は3分の1増加する。IBMは、2027年の計画以降、r3の提供開始時期については明らかにしていない。
Nighthawk r3のアーキテクチャと相互接続
Nighthawk r3は、Nighthawk r2の正方格子接続性と高速動作を維持しており、物理量子ビット458個のうち、プログラム可能な量子ビットは120個です。新しい要素は相互接続です。r3には、プロセッサをより大きなシステムに接続するためのチップ間リンクを指すIBMの用語であるlカプラが10個搭載されています。このようなモジュール式の拡張はIBMのロードマップ全体に貫かれており、同社が2029年に計画している耐障害性システムであるStarlingには、100個以上のlカプラが連携して動作する必要があるとIBMは述べています。
IBMは今年、2つのNighthawk r1プロセッサを4つのlカプラで接続し、平均99%の量子状態転送忠実度を測定した。最高値は99.3%で、目標の99.9%には及ばなかった。同社はまた、2つの極低温モジュールを初めて1つのシステムに統合し、そのシステムは5日以内に動作温度に達し、15ミリケルビン以下に冷却された。2027年に計画されている1,040量子ビットシステムは、これらの結果がr3スケールでも維持されることを前提としている。
「量子コンピューティングの有用性は、結果を正確かつ迅速に提供できるかどうかにかかっています。どちらも基本中の基本です」と、IBMリサーチのディレクター兼IBMフェローであるジェイ・ガンベッタ氏は述べています。「Nighthawkは既に、その可能性を私たちに示してくれています。このアーキテクチャをより大規模で高性能な量子コンピュータへと拡張していくにつれ、古典的なリソースとの統合が進み、耐障害性も向上していくことで、量子コンピューティングの能力は新たなレベルに達するでしょう。」
Nighthawk r2のワークロード結果
IBMによると、Nighthawk r2は毎秒最大10万サンプルの処理能力を持ち、IBM Quantum Heronに比べて25倍のスループット向上を実現し、120個の量子ビットで7,500以上の量子演算による高精度な計算をサポートする。各回路の実行で1つのサンプルが返されるため、速度が重要となる。IBMが説明するアプリケーションでは、数百万から数十億ものサンプルが必要となる。IBMが100kHzのレートとしている高速な量子ビットリセットにより、実行間隔が短縮される。
IBMによると、E.ON、Algorithmiq、Q-CTRLなどの顧客やパートナーは、Nighthawk r2上で34億回路を実行し、以前のIBMプロセッサと比較して最大19倍の高速化を実現したと報告している。E.ONは、電力網最適化のための量子機械学習ワークロードで15倍の高速化を報告した。IBMは、オークリッジ国立研究所との共同実験で、磁性材料をシミュレートし、中性子散乱実験と一致する結果を得た際に、12倍の高速化を測定した。これらの数値はいずれも、以前のHeronでの成果と比較したものである。
Algorithmiqが実施した、異種量子物質をシミュレートする実験は、 IBMとそのパートナー企業が以前発表した量子優位性に関する成果の一部としてHeron上で初めて実行されましたが、Nighthawk r2上では8倍高速化されています。IBMによると、r2版は従来の手法では再現が難しく、同等の精度を実現するには、主要なテンソルネットワーク手法では推定240倍ものメモリが必要になるとのことです。これらはベンダーおよびパートナー企業による結果であり、弊社では実行や監査は行っていません。
古典的コンピューティング統合
IBM Quantum Platformは、量子ハードウェアと並行してHPCおよび従来のコンピューティングを単一の管理環境で提供し、ユーザーは量子ワークフローをラップトップからスーパーコンピュータまで、外部の従来のシステムに接続できます。IBMはこれを、以前はQiskit Functionsと呼ばれていたスタックであるIBM Quantum Functionsの管理ワークフローとして提供し、大容量メモリとGPUアクセラレーションによるコンピューティング、並列パラメータスイープ、永続ストレージ、使用量ベースの課金機能を備えています。量子ワークロードは、エラー軽減、ノイズ学習、および後処理のために従来のシステムに依存しており、IBMは回路の規模拡大に伴い、こうした需要が増加すると予想しています。
IBMと理化学研究所の研究者たちは、初期段階の運用において、サンプルベースの量子対角化ワークフローを、元の研究時よりも約5倍高速に実行し、計算量は100倍に増加させた。クリーブランド・クリニックと理化学研究所は、このプラットフォームを使用して約6億800万個のサンプルを処理し、生物学的に関連のある構造をモデル化した。IBMによると、これはワークフローの自動化を行わない場合と比べて33倍高速だったという。
このプラットフォームは、量子誤り訂正研究のためのパルスレベルの制御機能も提供しており、動作タイミング、高速な量子ビットリセット、測定結果の読み出しなどに対応しています。この取り組みは、IBMがオークリッジ国立研究所およびAMDと共同で構築した設計プラットフォームと連携しており、NighthawkをORNLのUmbra HPCシステム、AMD Instinct MI355X GPU、第5世代AMD EPYC CPUと並べて配置することで、研究者が量子ハードウェアと古典ハードウェアの両方で誤り訂正技術を共同開発できるようにしています。
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