IBM, AMD en het Quantum Science Center van het Amerikaanse ministerie van Energie in het Oak Ridge National Laboratory hebben vandaag een platform voor gezamenlijk ontwerp van kwantumfoutcorrectie onthuld, gebouwd rond kwantum- en klassieke hardware in dezelfde faciliteit. Op de kwantumlocatie van IBM in Poughkeepsie, New York, staan IBM-kwantumcomputers, waaronder de 120-qubit IBM Quantum Nighthawk -processor, samen met Umbra, een krachtig computersysteem van ORNL dat is gebouwd met AMD Instinct MI355X GPU's en 5e generatie AMD EPYC CPU's. De AMD-hardware verzorgt de klassieke kant van het onderzoek: decodering, optimalisatie en software-orkestratie.
Klassieke computerberekeningen voor kwantumfoutcorrectie
Foutcorrectiecodes verspreiden kwantuminformatie over vele fysieke qubits en voeren herhaaldelijk controles uit op tekenen van problemen. Een klassieke computer leest elke controleronde en berekent welke qubits fout zijn gegaan, een taak die IBM 'decoderen' noemt, en de decoder moet gelijke tred houden met de kwantumprocessor. Tegenwoordig bevinden kwantumcomputers en HPC-clusters zich zelden in dezelfde faciliteit, waardoor onderzoekers de kwantumcomputer via de cloud benaderen, het klassieke werk op aparte systemen uitvoeren en de twee via aparte API's met elkaar verbinden. Elke overdracht zorgt voor vertraging en beperkt de experimenten die een team kan uitvoeren.
Het platform plaatst de twee helften naast elkaar, zodat onderzoekers foutcorrectie kunnen testen op echte kwantumhardware binnen de workflows waarvoor het bedoeld is, zonder zelf die infrastructuur te hoeven bouwen. IBM zegt dat het werk zich uitstrekt over geconcateneerde codes, ruimte-tijdcodes, algoritmebewuste decoders, hardwarebewuste circuitoptimalisatie en -compilatie, en software-orkestratie in één enkele stack.
Een van de doelen is hiërarchische foutcorrectie, waarbij een interne code die qubits binnen een module beschermt, wordt omhuld door een externe code die de logische qubits van de interne code beschermt. IBM-onderzoek schat dat deze aanpak een biljoen logische bewerkingen kan uitvoeren met een fysieke foutmarge van één op duizend, waarbij decodering op elke laag plaatsvindt.
"Met Umbra kunnen we nu nieuwe ideeën testen, benaderingen op grote schaal evalueren en de basis leggen voor betrouwbaardere kwantumcomputers", aldus Travis Humble, directeur van het Quantum Science Center.
MI355X GPU's en 5e generatie EPYC CPU's in Umbra
Op kwantumgebied biedt Nighthawk onderzoekers vierkante-roosterconnectiviteit, de hoogste van alle IBM-processorarchitecturen, een hoge circuitdoorvoer en realtime pulscontrole via IBM's Quantum System API. Onderzoekers kunnen qubits midden in een circuit meten, in realtime op het resultaat reageren, de exacte timing instellen van de signalen die qubits beschermen tegen ruis, en direct met ruwe meetsignalen werken. Hierdoor kan een team vergelijken wat elke foutcorrectiemethode kost in termen van qubits, tijd, samples en klassieke resources, en ontdekken waar GPU-acceleratie het meest helpt.
Aan de klassieke kant stellen de MI355X-acceleratoren onderzoekers in staat om decoders op grote schaal te trainen en te evalueren, waarbij de EPYC-CPU's de orkestratie verzorgen. Co-locatie zorgt voor een lage latentie bij decodering en bij conditionele uitvoering, waarbij een kwantumprogramma zijn volgende bewerking kiest op basis van een meting die halverwege de berekening wordt gedaan. Noch IBM, noch AMD heeft cijfers gepubliceerd over het aantal knooppunten, GPU- of CPU-aantallen, decoderingslatentie of benchmarks voor de implementatie. AMD heeft afzonderlijk adaptieve SoC's en FPGA's beschreven voor besturing en uitlezing met lage latentie, en ROCm voor het orkestreren van kwantumacceleratoren als onderdeel van zijn hybride kwantumstrategie , maar de aankondiging plaatst deze niet in Umbra.
Het platform bouwt voort op eerdere samenwerking tussen de drie organisaties. IBM en ORNL werken al samen via het Quantum Science Center, en de twee hebben laten zien hoe workloads, verdeeld over IBM-kwantumcomputers en de Frontier-supercomputer, magnetische materialen simuleren en moleculaire configuraties berekenen van een kandidaat-fusiebrandstof. Met AMD gebruikt IBM AMD GPU's om de klassieke diagonalisatiestap in op samples gebaseerde kwantumdiagonalisatie te versnellen, en de twee bedrijven hebben een algoritme gedemonstreerd dat kwantumfouten decodeert op AMD-chips.
Geplande verbindingen met ORNL-supercomputers
Het platform zal verbinding maken met de Oak Ridge Leadership Computing Facility in Oak Ridge, Tennessee, en ORNL beschrijft ook een koppeling met Lux, hun op AMD gebaseerde supercomputer, zodat kwantumwerk kan worden uitgevoerd als onderdeel van de bredere AI- en wetenschappelijke computerinfrastructuur van het lab. IBM en AMD zeggen dat de samenwerking zal onderzoeken hoe toekomstige generaties AMD-computing, netwerkoplossingen en open source-software samen met kwantumcomputers kunnen worden ontworpen. Deze verbindingen worden beschreven als gepland en de aankondiging vermeldt geen voltooiingsdatum, schema voor externe toegang of mijlpaal voor de algemene beschikbaarheid van het platform.
Deze inspanning sluit aan bij de Quantum Genesis Mission van het Amerikaanse Ministerie van Energie (DOE) en het doel om tegen 2028 een wetenschappelijk relevante kwantumcomputer te hebben. De Q Competition van de missie streeft naar 100 logische qubits die 100,000 harde bewerkingen uitvoeren tegen eind 2028, terwijl IBM's huidige experimenten 70 logische qubits en 438 harde bewerkingen bereiken, een verschil van ongeveer 230 keer. IBM zegt dat de kennis die de teams opdoen over foutcorrectie en HPC-workflows van invloed zal zijn op IBM Quantum Starling , de fouttolerante kwantumcomputer die het bedrijf tegen 2029 wil opleveren.
"Dit co-designplatform is een belangrijke stap in de richting van het bouwen van de schaalbare, efficiënte computerinfrastructuur die nodig is om fouttolerante kwantumcomputing werkelijkheid te laten worden", aldus Mark Papermaster, executive vice president en chief technology officer van AMD.
Amazon