IBM apresenta unidade de processamento quântico "Osprey" de 433 qubits

Mais um carrapato no roteiro para a vantagem quântica.

Em seu Quantum Summit de hoje, a IBM anunciou o desenvolvimento bem-sucedido de sua QPU (Unidade de Processamento Quântico) 'Osprey' - sua meta de roteiro de 433 qubits para 2022. O novo QPU aumenta significativamente o número de qubits de trabalho em um único QPU - o QPU 'Eagle' da geração anterior carregava apenas 127 deles.

O novo lançamento é outro passo confiante para o roteiro agressivo de computação quântica da IBM, que visa fornecer QPUs com dezenas de milhares (talvez até centenas de milhares) de qubits até 2030.

"O novo processador 'Osprey' de 433 qubits nos aproxima do ponto em que os computadores quânticos serão usados ​​para resolver problemas anteriormente insolúveis", disse o Dr. Darío Gil, vice-presidente sênior da IBM e diretor de pesquisa.

"Estamos continuamente ampliando e avançando nossa tecnologia quântica em hardware, software e integração clássica para enfrentar os maiores desafios do nosso tempo, em conjunto com nossos parceiros e clientes em todo o mundo. Este trabalho será fundamental para a próxima era da supercomputação centrada no quantum ."

O roteiro quântico da IBM para hoje - e além. (Crédito da imagem: IBM Quantum/IBM)

O lançamento do Osprey é significativo para a IBM: bem no meio do roteiro da IBM, ele carrega o maior aumento no número de qubits em um único chip. Comparado ao Eagle, o Osprey aumenta a contagem de qubits em 3,4 vezes; é um aumento ainda maior na contagem de qubits do que a empresa espera alcançar em três anos, quando planeja introduzir o Kookaburra QPU de 4.158 qubits. Também é maior do que qualquer outro salto de qubit desde a introdução do Falcon e seus 27 qubits em 2019.

Devido ao posicionamento da Osprey dentro do roteiro da IBM – logo antes de a empresa começar a explorar o dimensionamento quântico ao interconectar vários QPUs no próximo ano com o Heron e seus p acoplamentos – o aumento na contagem de qubits sem comprometer a qualidade é excepcionalmente relevante. Mas talvez mais impressionante seja o fato de que esse salto na contagem de qubits foi projetado ao mesmo tempo em que a IBM lançou a maior parte das bases para seus futuros produtos modulares.

A empresa espera lançar em 2023 suas QPUs Heron escaláveis ​​de 133 qubits, que aproveitarão os acoplamentos p para interconectar vários chips Heron. A ideia é que é mais fácil dimensionar qubits dentro de um determinado pacote e vincular pacotes separados do que criar uma QPU monolítica.

Isso traz desafios em relação à distribuição de carga de trabalho - há várias maneiras de reduzir um problema quântico de maior volume para que ele se encaixe no chip (ou chips) que você tem disponível para executar os circuitos quânticos e a maneira como isso é feito afeta severamente o desempenho. Mas o dimensionamento de vários chips é uma necessidade, e adotar essa abordagem significou a reengenharia de todo o subsistema eletrônico de controle - a ponte entre a computação clássica e a quântica.

De acordo com o Dr. Oliver Dial, arquiteto-chefe de hardware da IBM Quantum, uma melhoria significativa veio da mudança do mecanismo de controle de qubit dentro dos refrigeradores de diluição da empresa - o hardware responsável por resfriar os qubits supercondutores para quase zero absoluto (-273,15 °C).

Antes da Osprey, a IBM empregava cabos coaxiais para transmitir informações de controle de micro-ondas para os qubits operacionais. Agora, os cabos coaxiais deram lugar a cabos de fita flexíveis (o mesmo tipo que é usado onde quer que haja eletrônicos e dobradiças, como em seu laptop). Esses cabos de fita ocupam muito menos espaço e oferecem uma taxa de transferência muito maior do que a solução anterior, ao mesmo tempo que custam menos tempo e recursos para serem implantados. Dr. Dial diz que eles permitiram que a IBM aumentasse a densidade de controle em 70% enquanto reduzia os custos em cinco vezes.

Cabos de fita flexíveis substituíram os coaxiais no Quantum System da IBM, oferecendo conexões 70% mais densas a um quinto do custo anterior. (Crédito da imagem: IBM Quantum/IBM)

Outro elemento importante para esta nova geração quântica da IBM foi o aumento do desempenho do FPGA (Field-Programmable Gate Array) dentro do subsistema de controle.

Enquanto o futuro do controle de qubit da IBM passa por ASICs (Application-Specific Integrated Circuits) quânticos específicos, os FPGAs até agora têm lidado com o trabalho devido à sua flexibilidade - a IBM pode prototipar diferentes esquemas de controle dentro do design programável do FPGA. Isso permite experimentação e iteração rápidas até o momento em que a empresa esteja confiante o suficiente para seguir a rota completa do ASIC. Dr. Dial diz que esta mudança irá proporcionar outra melhoria monumental na eficiência energética, reduzindo a potência necessária para controlar um único qubit de cerca de 100 W para apenas 10 miliwatts.

Crucialmente, o Dr. Dial diz que os qubits supercondutores no Osprey mostraram tempos de coerência comparáveis ​​aos melhores da empresa (apesar do tremendo aumento na contagem de qubits), o que significa que o volume quântico puro (uma estimativa de desempenho de computação quântica que a IBM e outros players do setor suportam) é obrigado a aumentar em linha com as contagens de qubits.

(Crédito da imagem: IBM Quantum/IBM)

De acordo com a IBM, o número e a qualidade dos qubits no Osprey são tais que um sistema clássico tentando descrever o estado computacional de seus qubits exigiria mais bits disponíveis do que átomos no universo. Parece que já entramos no estágio de vantagem quântica da equação.

É claro que os qubits podem melhorar tanto em contagem quanto em qualidade, mas há pouco que as soluções de hardware quântico puro tenham a oferecer ao usuário médio. Dr. Dial foi rápido em apontar que qualquer um – verdadeiramente qualquer um – agora pode desenvolver a tecnologia quântica da IBM por meio da oferta de nuvem da empresa.

O IBM Quantum System Two, o computador quântico de halo da empresa, que deve começar a operar em 2023, fará uso da abordagem modular da IBM para a computação quântica.

(Crédito da imagem: IBM Quantum/IBM)

A computação quântica requer um esforço de abstração severo que permite que não especialistas quânticos interajam com esses sistemas, e a IBM também dobrou seu software Quiskit Runtime para tornar mais fácil para os usuários – trocar tempo de execução por precisão é tão fácil quanto alterar um configuração do software.

Por meio de melhorias em seus drivers, tempo de execução do Quiskit e melhorias de circuitos parametrizados ao longo de 2022, a IBM conseguiu alcançar sua pontuação de 1.400 CLOPS até cerca de 15.000 CLOPS - se as melhorias de desempenho baseadas em driver da AMD em suas GPUs lhe renderam o apelido de "vinho fino", me pergunto qual metáfora seria apropriada para esse aumento de desempenho de quase 11x.

As melhorias de hardware são uma metade necessária do desenvolvimento de qualquer novo sistema tecnológico; mas a outra metade está realmente colocando esse hardware em uso. Para esse fim, a IBM em seu Quantum Summit também anunciou seu 100x100 Challenge, uma iniciativa que visa colocar uma profundidade de operação de portão de 100 qubit x 100 nas mãos dos usuários até 2024. Ao alavancar a arquitetura quântica modular de próxima geração da empresa, Heron, A IBM pretende desafiar os usuários com uma questão "o que se encaixa aqui?" — que tipo de problema computacional quântico pode ser processado dentro dessas restrições?

Por tudo o que sabemos sobre computação quântica, algo realmente especial pode sair desse desafio – não é uma questão de a humanidade ter ganhos significativos quando começar a resolver problemas com computação quântica. É apenas uma questão de como e quando — e esse desafio dá à IBM uma maneira infalível de manter essa conversa em andamento. O que é, afinal, uma das preocupações da empresa para o seu Quantum Summit 2022.

“O IBM Quantum Summit 2022 marca um momento crucial na evolução do setor global de computação quântica, à medida que avançamos em nosso roteiro quântico de adoção e crescimento da indústria quântica", disse Jay Gambetta, IBM Fellow e VP da IBM Quantum. “Nossos avanços definem a próxima onda em quântica, que chamamos de supercomputação centrada em quântica, onde modularidade, comunicação e middleware contribuirão para aumentar a capacidade de computação de escala e integração de fluxos de trabalho quânticos e clássicos”.

Por trás dessas observações e da taxa de desenvolvimento quântico da IBM (e execução perfeita, de acordo com seu roteiro), parece que a aposta da empresa em qubits supercondutores está valendo a pena. Como a IBM mostrou, ainda há muita vida na otimização dos sistemas quânticos da empresa, além do aumento nas densidades de qubits e nos tempos de coerência que permitiram o salto do Eagle de 127 qubits para o Osprey de 433 qubits.

O Osprey agora decolou, mas a IBM nunca parou de olhar para o futuro do quantum – e isso continua com o Condor de 1.121 qubits de 2023.