A IBM, a AMD e o Centro de Ciência Quântica do Departamento de Energia, no Laboratório Nacional de Oak Ridge, apresentaram hoje uma plataforma de co-design para correção de erros quânticos, construída em torno de hardware quântico e clássico instalados no mesmo complexo. No centro quântico da IBM em Poughkeepsie, Nova York, os computadores quânticos da IBM, incluindo o processador IBM Quantum Nighthawk de 120 qubits , estão localizados junto ao Umbra, um sistema de computação de alto desempenho do ORNL baseado em GPUs AMD Instinct MI355X e CPUs AMD EPYC de 5ª geração. O hardware da AMD fornece a parte clássica da pesquisa: decodificação, otimização e orquestração de software.
Computação Clássica para Correção de Erros Quânticos
Os códigos de correção de erros distribuem a informação quântica por vários qubits físicos e executam verificações repetidas em busca de sinais de problemas. Um computador clássico lê cada rodada de verificações e determina quais qubits apresentaram falhas, uma tarefa que a IBM chama de decodificação, e o decodificador precisa acompanhar o processador quântico. Atualmente, computadores quânticos e clusters de computação de alto desempenho (HPC) raramente estão localizados na mesma instalação, então os pesquisadores acessam a máquina quântica pela nuvem, executam o trabalho clássico em sistemas separados e conectam os dois por meio de APIs distintas. Cada transferência de dados adiciona atraso e limita os experimentos que uma equipe pode realizar.
A plataforma coloca as duas metades lado a lado para que os pesquisadores possam testar a correção de erros em hardware quântico real dentro dos fluxos de trabalho para os quais ela foi projetada, sem precisar construir essa infraestrutura por conta própria. A IBM afirma que o trabalho abrange códigos concatenados, códigos espaço-temporais, decodificadores com reconhecimento de algoritmos, otimização e compilação de circuitos com reconhecimento de hardware e orquestração de software em uma única pilha.
Um dos objetivos é a correção hierárquica de erros, que sobrepõe um código interno que protege os qubits dentro de um módulo a um código externo que envolve os qubits lógicos do código interno. Pesquisas da IBM estimam que essa abordagem permita realizar um trilhão de operações lógicas com uma taxa de erro físico de uma em mil, com a decodificação ocorrendo em cada camada.
“Com o Umbra, agora poderemos testar novas ideias, avaliar abordagens em grande escala e construir a base para computadores quânticos mais confiáveis”, disse Travis Humble, diretor do Centro de Ciência Quântica.
GPUs MI355X e CPUs EPYC de 5ª geração no Umbra
No âmbito quântico, o Nighthawk oferece aos pesquisadores conectividade de rede quadrada, a mais alta de qualquer arquitetura de processador da IBM, alto rendimento de circuito e controle de pulsos em tempo real por meio da API de Sistemas Quânticos da IBM. Os pesquisadores podem medir qubits no meio do circuito, agir sobre o resultado em tempo real, definir o tempo exato dos sinais que protegem os qubits contra ruídos e trabalhar diretamente com os sinais de medição brutos. Isso permite que uma equipe compare o custo de cada método de correção de erros em qubits, tempo, amostras e recursos clássicos, e descubra onde a aceleração por GPU é mais útil.
No âmbito clássico, os aceleradores MI355X permitem que os pesquisadores treinem e avaliem decodificadores em grande escala, com as CPUs EPYC cuidando da orquestração. A colocalização mantém a latência baixa para decodificação e para execução condicional, onde um programa quântico escolhe sua próxima operação com base em uma medição feita durante a computação. Nem a IBM nem a AMD divulgaram a quantidade de nós, GPUs ou CPUs, dados de latência de decodificação ou benchmarks para a implementação. A AMD descreveu separadamente SoCs e FPGAs adaptativos para controle e leitura de baixa latência e o ROCm para orquestrar aceleradores quânticos como parte de sua estratégia quântica híbrida , mas o anúncio não os inclui no Umbra.
A plataforma amplia o trabalho anterior entre as três organizações. A IBM e o ORNL já colaboram por meio do Centro de Ciência Quântica, e as duas demonstraram cargas de trabalho divididas entre computadores quânticos da IBM e o supercomputador Frontier, simulando materiais magnéticos e calculando configurações moleculares de um possível material combustível para fusão nuclear. Com a AMD, a IBM está usando GPUs da AMD para acelerar a etapa de diagonalização clássica na diagonalização quântica baseada em amostras, e as duas empresas demonstraram um algoritmo que decodifica erros quânticos em chips da AMD.
Conexões planejadas com o supercomputador do ORNL
A plataforma se conectará ao Oak Ridge Leadership Computing Facility em Oak Ridge, Tennessee, e o ORNL também descreve uma conexão com o Lux, seu supercomputador baseado em AMD, para que o trabalho quântico possa ser executado como parte da infraestrutura mais ampla de IA e computação científica do laboratório. A IBM e a AMD afirmam que a colaboração explorará como as futuras gerações de computação, redes e software aberto da AMD podem ser projetadas em conjunto com computadores quânticos. Essas conexões são descritas como planejadas, e o anúncio não fornece data de conclusão, cronograma de acesso externo ou marco de disponibilidade geral para a plataforma.
O esforço está alinhado com a Missão Quantum Genesis do Departamento de Energia dos EUA e seu objetivo de um computador quântico cientificamente relevante até 2028. A Competição Q da missão visa alcançar 100 qubits lógicos executando 100,000 operações complexas até o final de 2028, e os experimentos atuais da IBM atingem 70 qubits lógicos e 438 operações complexas, uma diferença de aproximadamente 230 vezes na quantidade de operações. A IBM afirma que o conhecimento adquirido pelas equipes sobre correção de erros e fluxos de trabalho de computação de alto desempenho (HPC) servirá de base para o IBM Quantum Starling , o computador quântico tolerante a falhas que a empresa planeja entregar até 2029.
“Esta plataforma de co-design é um passo importante para a construção da infraestrutura de computação escalável e eficiente necessária para tornar a computação quântica tolerante a falhas uma realidade”, disse Mark Papermaster, vice-presidente executivo e diretor de tecnologia da AMD.
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