Tecnologia IBM Quantum

La flotta di computer quantistici IBM®, tutti con almeno 127 qubit, è la più grande al mondo. Questi computer quantistici utilizzano qubit transmon superconduttori, che non sono l'unico tipo di qubit, ma che presentano molti vantaggi. Combinare i nostri computer quantistici di livello mondiale con Qiskit consente ai nostri utenti di esplorare come il calcolo quantistico possa essere utile nel mondo, già oggi. Partner industriali e ricercatori utilizzano la tecnologia IBM Quantum® per esplorare computazioni significative e applicazioni realistiche. Esploriamo l'ampiezza dei programmi e dei servizi che IBM Quantum offre ai propri partner.

Se fai parte di un'istituzione membro dell'IBM Quantum Network, assicurati di contattare il gruppo di calcolo quantistico della tua istituzione per determinare a quali vantaggi hai accesso.

Obiettivi di apprendimento

Al termine di questo modulo, dovresti essere in grado di:

• Riconoscere che risolvere problemi significativi richiederà una combinazione di risorse quantistiche e classiche.
• Identificare l'hardware, il software e i servizi disponibili per risolvere problemi significativi.
• Descrivere come misurare le prestazioni del calcolo quantistico, inclusi scala, qualità e velocità.

IBM Quantum Platform

IBM Quantum Platform offre una suite di strumenti di calcolo quantistico che riunisce in un unico posto tutte le risorse di ricerca e sviluppo di cui gli utenti hanno bisogno per lavorare al meglio. Gli utenti possono creare un account e accedere per ottenere l'accesso ai computer quantistici IBM, visualizzare i dettagli dei computer, monitorare i carichi di lavoro e accedere al materiale formativo in Documentation e Learning.

• La Home page funge da punto di partenza principale per l'ecosistema del prodotto, dove gli utenti possono ottenere le proprie chiavi API, visualizzare un riepilogo delle istanze e delle informazioni sull'utilizzo, vedere i dettagli dei job recenti e accedere a link utili verso altre aree della piattaforma.
• Documentation raccoglie la documentazione di Qiskit, la documentazione del servizio e le informazioni di riferimento API in un'unica posizione, organizzata in modo da supportare i flussi di lavoro naturali degli utenti.
• Learning è la casa del materiale didattico, inclusi corsi e moduli di insegnamento, e il Circuit Composer interattivo (in arrivo). Questo editor che combina interfaccia grafica e codice consente agli utenti di prototipare, simulare e fare debug di circuiti visivamente, per poi eseguirli sui computer quantistici IBM.

Qiskit Runtime

Qiskit Runtime è un'architettura portabile, sicura e containerizzata che esegue programmi quantistici su un'unità di calcolo classica strettamente integrata con il processore quantistico. Qiskit Runtime consente al computer quantistico di diventare parte di qualsiasi ambiente di calcolo per accelerare la computazione — in modo simile a un'unità di elaborazione grafica (GPU) — e gestisce l'orchestrazione dei job e il trasferimento dei dati verso l'unità di elaborazione quantistica, massimizzando l'efficienza.

Qiskit e Qiskit Runtime rendono semplice orchestrare rapidamente programmi su risorse di calcolo nel cloud. IBM sviluppa middleware per il quantum al fine di massimizzare le prestazioni delle applicazioni quantistiche eseguite su risorse di calcolo quantistiche e classiche parallelizzate e basate su cloud. Questo middleware include il circuit knitting toolbox e la nostra architettura quantum serverless.

Il circuit cutting Qiskit addon consente agli sviluppatori di suddividere circuiti di grandi dimensioni in circuiti più piccoli adatti agli attuali computer quantistici. Il circuit knitting utilizza la computazione classica per farsi carico di parte del peso computazionale di un circuito quantistico, superando ciò che si può ottenere con uno dei due approcci da solo. Strumenti aggiuntivi aiutano a ricostruire i circuiti con risorse classiche e a ricombinare i risultati finali.

Quantum Serverless è un toolkit di orchestrazione multi-cloud per collegare risorse classiche elastiche al servizio IBM Qiskit Runtime. Quantum Serverless consente agli sviluppatori di concentrarsi sul codice, anziché sul provisioning delle risorse.

Computer quantistici superconduttori IBM

I processori quantistici IBM utilizzano un tipo fisico di qubit chiamato qubit transmon superconduttore, realizzato con materiali superconduttori su un substrato di silicio. Altri processori quantistici potrebbero utilizzare qubit fotonici, composti da singoli fotoni di luce, oppure qubit a ioni intrappolati, che memorizzano le informazioni in particelle atomiche cariche. Per facilitare il flusso di corrente elettrica, i qubit superconduttori devono essere mantenuti a temperature estremamente basse — vicino allo zero assoluto.

Processore IBM a 127 qubit

Prestazioni del calcolo quantistico

Misurare le prestazioni del calcolo quantistico

Un computer quantistico universale fault-tolerant è la grande sfida del calcolo quantistico. È un dispositivo in grado di eseguire correttamente operazioni quantistiche universali utilizzando componenti non affidabili. I computer quantistici odierni non sono fault-tolerant.

Per confrontare i computer quantistici tra loro, il numero di qubit non è sufficiente. Devono essere considerati molti altri dettagli, come i tassi di errore e il modo in cui il sistema è collegato. Esistono quattro metriche chiave per misurare le prestazioni del calcolo quantistico:

• Scala - Misurata dal numero di qubit, che indica la quantità di informazioni che possiamo codificare nel computer quantistico.
• Qualità - Misurata dal Quantum Volume, che indica la qualità dei circuiti e quanto fedelmente i circuiti vengono implementati nell'hardware.
• Velocità - Misurata da CLOPS (Circuit Layer Operations Per Second), che indica quanti circuiti possono essere eseguiti sull'hardware in un dato intervallo di tempo.
• Fedeltà dei layer - Misurata da EPLG (Errors Per Layered gate), che descrive come si verificano gli errori quando le operazioni vengono eseguite sui qubit.

Per una descrizione più dettagliata di alcune delle metriche sopra indicate, consulta questo articolo sul blog di IBM Research. Ogni fase nell'adozione del calcolo quantistico nell'industria è guidata dall'aumento del Quantum Volume, calcolato utilizzando vari parametri come la larghezza del circuito, la connettività dei qubit e i tassi di errore.

La definizione tecnica del Quantum Volume è difficile da comunicare senza equazioni. Dario Gil, Direttore della Ricerca di IBM, spiega:

Per comprendere meglio il Quantum Volume, considera la seguente analogia interessante. La sezione seguente tratta tempo, spazio e tassi di errore in termini di un tour di New York City.

Visitare gli stati del Quantum Volume

Il Quantum Volume descrive il più grande spazio computazionale quantistico che un computer quantistico può esplorare, dove il volume dello spazio quantistico è 2^N, con N il numero di qubit, cioè la consueta dimensione dello spazio degli stati. Usiamo deliberatamente la parola "spazio" perché, una volta menzionato lo spazio, è naturale pensare a un volume.

Il fattore che limita questa esplorazione è il tasso di errore. Il tasso di errore può essere equiparato alla quantità di tempo che ci viene concessa per esplorare lo spazio. Più errori significano meno tempo per esplorare. Più grande è lo spazio computazionale, più tempo ci vuole per esplorarlo completamente, e quindi abbiamo bisogno di un computer quantistico con un tasso di errore inferiore.

Immagina un turista che esplora New York City. Il turista vuole visitare tutta la città, cioè vuole un volume turistico delle dimensioni di New York. Se diamo al turista solo un giorno, non c'è modo di esplorare tanto spazio, quindi il turista non ottiene il volume turistico desiderato. Tuttavia, se diamo al turista tre giorni, allora il turista potrebbe probabilmente toccare tutti i punti salienti e ottenere il volume turistico di New York.

Ora, cosa succede se diamo al turista più tempo ma limitiamo comunque lo spazio a New York? In altre parole, cosa succede se manteniamo lo stesso numero di qubit ma riduciamo il tasso di errore? Allora non c'è alcun vantaggio per il turista, poiché ha già esplorato la città e continua a visitare gli stessi posti. Il volume turistico rimane invariato. Invece, con più tempo a disposizione, è più intelligente per il turista espandere il numero di mete da visitare.

Oppure, supponi che manteniamo fissi i tre giorni ma il turista decide di provare a esplorare tutta New York e Long Island? In altre parole, cosa succede se fissiamo il tasso di errore ma aggiungiamo più qubit? Ancora una volta, il volume turistico rimane quello di New York perché il turista non riesce a esplorare lo spazio più grande nel tempo assegnato. Quindi, essere un turista migliore, e raggiungere un volume turistico maggiore, richiede di aumentare simultaneamente lo spazio da visitare e la quantità di tempo concessa al turista per esplorare.

Allo stesso modo, costruire computer quantistici migliori che raggiungano Quantum Volume più elevati richiede di aumentare simultaneamente lo spazio computazionale quantistico (numero di qubit) riducendo al contempo il tasso di errore (aumentando la quantità di tempo in cui l'algoritmo può essere eseguito). Ad esempio, grazie ai progressi nelle architetture di accoppiamento regolabile, IBM ha raddoppiato il Quantum Volume due volte in un solo anno!

Tuttavia, con l'evoluzione del calcolo quantistico, iniziamo a preoccuparci di più del lavoro utile che i nostri computer quantistici possono svolgere in un tempo ragionevole. Se misuriamo la scala in base al numero di qubit e la qualità tramite il quantum volume, allora la velocità di elaborazione quantistica è la misura del lavoro utile che quei qubit possono fare in un tempo ragionevole. La definiamo come il numero di circuitle primitive che possono essere elaborati al secondo. È simile ai FLOPS nel calcolo classico — il numero di operazioni in virgola mobile al secondo. Migliorare la velocità della QPU è la chiave per il calcolo quantistico pratico. Come nella programmazione dei computer classici, la programmazione quantistica richiede l'esecuzione di molti circuiti. Una velocità ragionevole della QPU consentirà agli utenti di incorporare il calcolo quantistico come parte dei propri flussi di lavoro.

Verifica la tua comprensione

Leggi la domanda qui sotto, pensa alla tua risposta, poi clicca sul triangolo per scoprire la soluzione.

Vero o falso: il Quantum Volume si riferisce alla dimensione dei refrigeratori criogenici che ospitano i computer quantistici IBM.

Falso. Il Quantum Volume è un singolo numero pensato per riassumere le prestazioni dei computer quantistici di oggi.

Cosa c'è nel futuro del calcolo quantistico

I computer quantistici odierni, e quelli previsti per il prossimo futuro, sono rumorosi. Ciò significa che sono sensibili ai disturbi ambientali che possono influire sulla fedeltà dei risultati. Proprio come il calcolo classico si è evoluto attraverso la scalabilità modulare dei processori, l'efficienza computazionale e la parallelizzazione, vediamo il calcolo quantistico evolversi per realizzare il suo pieno potenziale. Mentre lavoriamo verso computer quantistici completamente fault-tolerant, vogliamo risolvere problemi utili con l'hardware e il software che possediamo oggi.

Utilità quantistica

IBM Quantum e l'Università della California, Berkeley hanno presentato prove che i computer quantistici possono fornire valore prima del previsto grazie ai progressi nell'hardware IBM Quantum e nei metodi di mitigazione degli errori. Al di là di una semplice prova di concetto, abbiamo prodotto risultati sufficientemente accurati da essere utili. Il modello di computazione che abbiamo esplorato con questo lavoro è un aspetto fondamentale di molti algoritmi progettati per i computer quantistici a breve termine.

Il ciclo di feedback tra quantistico e classico è fondamentale per far avanzare le tecnologie quantistiche. Con un focus sull'utilità quantistica, usiamo il quantistico per sondare problemi complessi che sfidano i framework HPC esistenti, poi verifichiamo i risultati in modo classico. Questo continuo scambio tra circuiti quantistici complessi e computer classici che verificano i risultati quantistici migliorerà entrambi i domini computazionali e darà agli utenti fiducia nelle capacità dei computer quantistici a breve termine.

Lettura facoltativa — clicca sul triangolo per leggere di più sull'esperimento

• In questo esperimento, abbiamo utilizzato tutti i 127 qubit del nostro processore IBM Quantum Eagle per simulare il comportamento mutevole di un sistema che si mappa naturalmente su un computer quantistico, chiamato modello di Ising quantistico. I modelli di Ising sono semplificazioni della natura che rappresentano atomi in interazione come un reticolo di sistemi quantistici a due scelte in interazione in un campo energetico. Questi sistemi assomigliano molto ai qubit a due stati che compongono i nostri computer quantistici, rendendoli adatti per testare le capacità dei nostri metodi. Abbiamo usato ZNE per cercare di calcolare accuratamente una proprietà del sistema chiamata valore di aspettativa — essenzialmente una media pesata dei possibili risultati del circuito.

• Contemporaneamente, il team di Berkeley ha tentato di simulare lo stesso sistema utilizzando metodi a reti tensoriali con l'aiuto di supercomputer avanzati situati presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) del Lawrence Berkeley National Lab e presso la Purdue University.

• I metodi quantistici hanno continuato ad essere in accordo con i metodi esatti. Ma alla fine, i metodi di approssimazione classica hanno iniziato a vacillare man mano che la difficoltà veniva aumentata.

• Infine, abbiamo chiesto a entrambi i computer di eseguire calcoli al di là di quanto poteva essere calcolato esattamente — e il computer quantistico ha restituito una risposta di cui eravamo più fiduciosi fosse corretta. E sebbene non possiamo dimostrare se quella risposta fosse effettivamente corretta, i successi precedenti di Eagle nell'esperimento ci hanno dato fiducia che lo fossero.

Correzione degli errori

La correzione degli errori è un'area chiave di ricerca da decenni. Ma per la maggior parte di quel tempo, le tecniche teoriche di correzione degli errori sono state impraticabili da implementare su veri computer quantistici, spesso a causa del grandissimo numero di qubit necessari. Infatti, molti esperti prevedono che il calcolo quantistico fault-tolerant pratico (FTQC) richiederà milioni di qubit fisici. Ma in un recente articolo pubblicato sulla copertina di Nature, ricercatori di IBM hanno introdotto un nuovo codice, che chiamiamo codice di Gross, che supera questa limitazione.

L'articolo High-threshold and low-overhead fault-tolerant quantum memory descrive il nuovo codice di correzione degli errori quantistici che è circa 10 volte più efficiente dei metodi precedenti nel proteggere i delicati dati quantistici dall'accumulo di errori. Per capire quanto siamo più vicini all'inizio della correzione degli errori, considera che utilizzando il codice di Gross puoi proteggere 12 qubit logici per circa un milione di cicli di controllo degli errori usando 288 qubit.

Non è previsto che la correzione degli errori sostituisca improvvisamente la mitigazione e la soppressione degli errori. Piuttosto, nei prossimi anni, la mitigazione e la soppressione degli errori continueranno a svolgere un ruolo fondamentale, insieme a un numero crescente di qubit con correzione degli errori.

Roadmap di sviluppo IBM Quantum

Siamo ora solidamente nell'era dell'utilità quantistica. Ciò significa che i computer quantistici sono più bravi nel calcolo quantistico rispetto ai computer classici, e possono essere sfruttati dai nostri utenti per scoprire nuovi algoritmi e cercare vantaggi quantistici. La nostra roadmap delinea le nostre tappe storiche e i piani per raggiungere il vantaggio quantistico a breve termine entro il 2026.

Entro il 2029, consegneremo Starling — un computer quantistico fault-tolerant su larga scala in grado di eseguire circuiti quantistici comprendenti 100 milioni di gate quantistici su 200 qubit logici. Stiamo costruendo questo sistema proprio ora nel nostro storico stabilimento a Poughkeepsie, New York. Scopri di più sui nostri progressi nel PDF della Roadmap guidata.

Leggi di più sulla roadmap di sviluppo IBM Quantum qui.

La sfida dei 5k

IBM collabora con la comunità di ricerca quantistica per trovare potenziali casi d'uso che potrebbero beneficiare del calcolo quantistico. Forniamo strumenti sempre più potenti in modo che gli utenti possano esplorare problemi urgenti con il quantistico. Nel 2024, abbiamo rilasciato uno strumento in grado di calcolare osservabili imparziali di circuiti lunghi e di alta qualità. Trovare cosa si può fare con questa combinazione di 100+ qubit e circuiti profondi era un tempo chiamata la "sfida 100x100". Ma il numero preciso di qubit e la profondità di ciascuno è meno importante del sfruttare la potenza della combinazione. Immagina cosa è possibile con 5.000 circuiti quantistici in un'unica computazione. Gli utenti possono eseguire circuiti quantistici con complessità e runtime superiori alle capacità dei migliori computer classici odierni. Siamo entusiasti di vedere cosa costruirà la comunità quantistica per aiutarci a sfruttare la potenza del quantistico e risolvere problemi importanti.

Supercomputer quantistici-centrici

Andare oltre i processori a singolo chip è la chiave per risolvere problemi su larga scala. Nel 2024, abbiamo introdotto Crossbill, il primo processore singolo realizzato con più chip. Questi sono i primi passi verso l'inaugurazione di una nuova era di scalabilità, aprendo una strada chiara verso 100.000 qubit e oltre con il supercomputing quantistico-centrico. Si tratta di un'architettura di calcolo modulare che abilita la scalabilità. Combina comunicazione e computazione quantistica per aumentare la capacità computazionale, impiegando middleware cloud ibrido per integrare senza soluzione di continuità i flussi di lavoro quantistici e classici.

Risolvere i problemi più complessi del mondo richiederà una combinazione di risorse classiche e quantistiche. Inoltre, dipenderà dalla continua collaborazione tra industria e accademia.

Punti chiave

Tieni a mente questi punti chiave:

• I computer quantistici odierni non sono fault-tolerant.
• Il Quantum Volume è una misura olistica della bontà di un computer quantistico. Più alto è il Quantum Volume, meglio è. Parlare solo del numero di qubit è fuorviante.
• Per misurare le prestazioni dei computer quantistici, esistono quattro metriche chiave: scala, qualità, velocità e fedeltà dei layer.
• Un esperimento congiunto IBM Quantum-UC Berkeley ha presentato prove che i computer quantistici IBM forniscono risultati affidabili e accurati per problemi di simulazione impegnativi su una scala di 127 qubit.
• Il supercomputing quantistico-centrico significa trattare il quantistico come un pezzo di un paradigma HPC più ampio, con il classico e il quantistico che lavorano come un'unica unità computazionale.