IBM, AMD och energidepartementets Quantum Science Center vid Oak Ridge National Laboratory presenterade idag en gemensam plattform för kvantfelkorrigering, byggd kring kvant- och klassisk hårdvara som sitter i samma anläggning. På IBMs kvantanläggning i Poughkeepsie, New York, är IBMs kvantdatorer, inklusive 120-bitars IBM Quantum Nighthawk -processorn, samlokaliserade med Umbra, ett ORNL-högpresterande datorsystem byggt på AMD Instinct MI355X GPU:er och 5:e generationens AMD EPYC-processorer. AMD-hårdvaran tillhandahåller den klassiska sidan av forskningen: avkodning, optimering och programvaruorkestrering.
Klassisk databehandling för kvantfelkorrigering
Felkorrigerande koder sprider kvantinformation över många fysiska qubits och kör upprepade kontroller för tecken på problem. En klassisk dator läser varje kontrollrunda och räknar ut vilka qubits som gick fel, ett jobb som IBM kallar avkodning, och avkodaren måste hålla jämna steg med kvantprocessorn. Idag sitter kvantdatorer och HPC-kluster sällan i samma anläggning, så forskare når kvantmaskinen via molnet, kör det klassiska arbetet på separata system och kopplar samman de två via separata API:er. Varje överlämning ökar förseningen och begränsar de experiment som ett team kan köra.
Plattformen placerar de två halvorna bredvid varandra så att forskare kan testa felkorrigering på verklig kvanthårdvara inuti de arbetsflöden den är avsedd att hantera, utan att själva bygga den infrastrukturen. IBM säger att arbetet omfattar sammanlänkade koder, rumtidskoder, algoritmmedvetna avkodare, hårdvarumedveten kretsoptimering och kompilering samt programvaruorkestrering i en enda stack.
Ett mål är hierarkisk felkorrigering, vilket innebär att en inre kod som skyddar qubits inom en modul placeras under en yttre kod som omsluter den inre kodens logiska qubits. IBMs forskning uppskattar den metoden till en biljon logiska operationer med en fysisk felfrekvens på en på tusen, där avkodning sker på varje lager.
”Med Umbra kommer vi nu att testa nya idéer, utvärdera metoder i stor skala och lägga grunden för mer tillförlitliga kvantdatorer”, säger Travis Humble, chef för Quantum Science Center.
MI355X GPU:er och 5:e generationens EPYC-processorer i Umbra
På kvantumsidan ger Nighthawk forskare kvadratgitteranslutning, den högsta av alla IBM-processorarkitekturer, hög kretsgenomströmning och pulskontroll i realtid genom IBMs Quantum System API. Forskare kan mäta qubits mitt i kretsen, agera på resultatet i realtid, ställa in exakt tidpunkt för signalerna som skyddar qubits från brus och arbeta direkt med råa mätsignaler. Det låter ett team jämföra vad varje felkorrigeringsmetod kostar i qubits, tid, samplingar och klassiska resurser, och hitta var GPU-acceleration hjälper mest.
På den klassiska sidan låter MI355X-acceleratorerna forskare träna och utvärdera avkodare i stor skala, där EPYC-processorerna hanterar orkestrering. Samlokalisering håller latensen låg för avkodning och för villkorlig exekvering, där ett kvantprogram väljer sin nästa operation baserat på en mätning som görs mitt i beräkningen. Varken IBM eller AMD har publicerat nodantal, GPU- eller CPU-kvantiteter, avkodningslatenssiffror eller riktmärken för driftsättningen. AMD har separat beskrivit adaptiva SoC:er och FPGA:er för låg latenskontroll och avläsning och ROCm för orkestrering av kvantacceleratorer som en del av sin hybridkvantstrategi , men tillkännagivandet placerar inte dessa i Umbra.
Plattformen utökar tidigare arbete mellan de tre organisationerna. IBM och ORNL samarbetar redan genom Quantum Science Center, och de två har visat arbetsbelastningar uppdelade mellan IBMs kvantdatorer och Frontier-superdatorn som simulerar magnetiska material och beräknar molekylära konfigurationer av ett kandidatfusionsbränslematerial. Med AMD använder IBM AMD-GPU:er för att accelerera det klassiska diagonaliseringssteget i samplebaserad kvantdiagonalisering, och de två företagen har demonstrerat en algoritm som avkodar kvantfel på AMD-chips.
Planerade anslutningar till ORNL Supercomputing
Plattformen kommer att ansluta till Oak Ridge Leadership Computing Facility i Oak Ridge, Tennessee, och ORNL beskriver också en länk till Lux, deras AMD-baserade superdator, så att kvantarbete kan köras som en del av laboratoriets bredare AI- och vetenskapliga datainfrastruktur. IBM och AMD säger att samarbetet kommer att utforska hur framtida generationer av AMD-beräkningar, nätverk och öppen programvara kan utformas tillsammans med kvantdatorer. Dessa kopplingar beskrivs som planerade, och tillkännagivandet anger inget slutförandedatum, schema för extern åtkomst eller milstolpe för allmän tillgänglighet för plattformen.
Insatsen ligger i linje med DOE:s Quantum Genesis Mission och dess mål om en vetenskapligt relevant kvantdator senast 2028. Missionens Q Competition siktar på 100 logiska qubitar som kör 100 000 hårda operationer i slutet av 2028, och IBMs nuvarande experiment når 70 logiska qubitar och 438 hårda operationer, ett gap på ungefär 230 gånger i antal operationer. IBM säger att det teamen lär sig om felkorrigering och HPC-arbetsflöden kommer att informera IBM Quantum Starling , den feltoleranta kvantdatorn som de planerar att leverera senast 2029.
”Denna plattform för gemensam design är ett viktigt steg mot att bygga den skalbara och effektiva datorinfrastruktur som behövs för att göra feltolerant kvantberäkning till verklighet”, säger Mark Papermaster, vice vd och teknisk chef på AMD.
Amazon