Квантовые процессоры запускают одну и ту же схему тысячи раз, чтобы получить надежный результат. Перед каждым новым запуском кубиты нужно возвращать в исходное состояние. В более ранних процессорах IBM система сначала измеряла кубит, чтобы определить его состояние, и только затем при необходимости подавала импульс для его сброса. На это требовалось время, а некоторые состояния нельзя было надежно сбросить таким способом. Поэтому между запусками приходилось ждать сотни микросекунд. В Nighthawk r2 для этого используется отдельный компонент — диссипативное устройство, которое быстро отводит энергию от кубита в холодную среду.
Такой подход сокращает время, необходимое для сброса, до 25 наносекунд, а пауза между запусками схем сокращается до одной микросекунды. При этом сброс одного кубита не ухудшает работу соседних.
В результате Nighthawk r2 может выполнять более 100 тыс. схем в секунду против 4 тыс. у Heron. Это особенно важно для задач, где одну и ту же схему приходится запускать большое количество раз.
Ускорение не сопровождается снижением точности. IBM сообщает, что новая система уменьшает ошибку инициализации в 25 раз, сохраняя производительность квантовых вентилей на уровне Heron. Сам процессор содержит 120 программируемых кубитов, 218 соединителей и 120 элементов сброса — всего 458 физических квантовых компонентов. Большинство кубитов расположены в квадратной решетке и соединены с четырьмя соседями, что позволяет создавать более сложные схемы.
Nighthawk r2 также смог точно рассчитать наблюдаемые величины в квантовых схемах, содержащих более 7500 вентилей. Для этого IBM использовала вероятностное подавление ошибок (PEA) — метод, который позволяет компенсировать часть вычислительных ошибок на основе результатов нескольких запусков схемы. В другом эксперименте, посвященном моделированию рассеяния нейтронов, высокая пропускная способность процессора позволила ускорить вычисления в 12 раз. Получение спектров, сопоставимых с экспериментальными данными, заняло около 60 секунд.
Новая система сброса работает не только между запусками, но и непосредственно во время выполнения схемы. Это важно для динамических квантовых схем, в которых состояние кубитов измеряется по ходу вычисления. Такие схемы используются, в частности, в исследованиях квантовой коррекции ошибок. Вспомогательные кубиты можно сбрасывать и повторно использовать несколько раз в рамках одного вычисления.
Nighthawk r2 уже доступен через IBM Quantum Platform. За последние пять лет IBM инвестировала более $10 млрд в квантовые вычисления — от исследований и разработки до производства и партнерств. Компания рассчитывает создать отказоустойчивую квантовую систему Starling к 2029 году. Физические кубиты Nighthawk r2 по-прежнему подвержены шуму, однако процессор устраняет одно из инженерных ограничений на пути к отказоустойчивым вычислениям.
