Jak działa i jakie ma możliwości pierwszy kwantowy komputer IBM Q System One

Firma IBM w styczniu 2019 ogłosiła wprowadzenie do oferty sprzętowej urządzenia IBM Q System One. Pierwszy komercyjny komputer kwantowy IBM zbudowany jest na bazie 20 kubitowego chipa kwantowego, który został umieszczony w obudowie wykonanej z laminowanego szkła boro-krzemianowego. Materiał ten zapewnia doskonałą izolację przed promieniowaniem radiowym i wahaniami temperatur.

System może być umieszczony w praktycznie dowolnej serwerowni. Co jest istotne platforma obliczeniowa jako zintegrowany i samodzielny komponent pozwala na integrację z istniejącym już lokalnie środowiskiem obliczeniowym.

Do projektu IBM przygotowywał się ponad rok, wykorzystując kompleksowe podejście. W ramach IBM Q System One dostępny jest pakiet oprogramowania wykorzystywany już wcześniej w systemach IBM Q (np: IBM Q 20 Tokyo) dostępnych publicznie w ramach IBM Cloud. Dodatkowo opracowano specjalny pakiet oprogramowania, który w sposób automatyczny pozwala na samokalibrację systemu oraz sterowanie bramkami kwantowymi. Kalibracja jest jednym z najważniejszych elementów rozwiązania, gdyż pozwala w sposób maksymalny wykorzystać możliwości systemu i w jak największym stopniu kontrolować parametry dekoherencji układu.

Konieczność tworzenia qubitów o powtarzalnej i przewidywalnej jakości

IBM Q System One jest zaprojektowany w tak sposób, aby zapewnić maksymalną stabilność i zautomatyzowaną obsługę w celu zapewnienia qubitów o powtarzalnej i przewidywalnej jakości.  IBM w ramach swoich urządzeń kwantowych wykorzystuje nadprzewodnikowe złącza typu Josephsona (typu Al / AlOx / Al) umożliwiające zmianę typowego mostka RLC w oscylator aharmoniczny i wyraźne rozdzielenie stanów kwantowych. Superpozycja stanów – jak i splątanie kwantowe – wykonywane jest za pomocą generatorów mikrofalowych pracujących impulsowo 10-100 ns z częstotliwością około 5 Ghz.

Jednym z wyzwań systemów kwantowych jest konieczność utrzymania wysokiej jakości qubitów wykorzystywanych do wykonywania obliczeń kwantowych. Częściowo wynika to z hałasu w otoczeniu maszyny, wibracji, wahań temperatury i fal elektromagnetycznych. Ochrona przed tymi zakłóceniami jest jednym z wielu powodów, dla których komputery kwantowe i ich komponenty wymagają starannej inżynierii i izolacji. Dlatego też wykorzystywane są najnowsze zdobycze inżynierii kriogenicznej, zapewniające maksymalny poziom chłodzenia systemu do temperatury 20mK (-273.13 C). Tylko tak niska temperatura zapewnia środowisko do pracy całego urządzenia pozwalając na stabilną pracę przez ok. 100 mikrosekund.

Ważną częścią nowego systemu IBM Q System One jest hermetyczna obudowa, która zapewnia bezproblemowy dostęp do urządzenia w celu konserwacji i ewentualnej modernizacji, poprzez wykorzystanie systemu typu “rototranslacji” pozwalając na zminimalizowanie przestojów. Jako ciekawostkę należy podać, iż wygląd urządzenia został zaprojektowany przez firmę Map Project Office oraz londyńską pracownię architektury i projektowania wnętrz Universal Design Studio. Szklaną obudowę zaprojektował producent Goppion z Mediolanu, który jest światowym liderem w tworzeniu systemów zabezpieczeń dzieł sztuki. IBM Q System One był testowany w ciągu dwóch tygodni w lecie 2018 roku we Włoszech. Cały system został zmontowany do testów mechanicznych w centrali Goppiona w Mediolanie. W ramach testu sprawdzono całą konstrukcję pod względem bezpieczeństwa, konserwacji, niezawodności i wydajności.

W jaki sposób zaprogramować algorytmy kwantowe?

Pierwsze urządzenie klasy IBM Q System One, zostało w tym roku zainstalowane w Centrum Badawczym Thomas J Watson, będącym główną siedzibą działu IBM Research. Dostęp do systemu jest zapewniony poprzez platformę opracowaną na wzór IBM Q experience. Programowanie odbywa się za pomocą kwantowego asemblera OpenQASM. Dostępne jest również środowisko graficznego interfejsu użytkownika, pozwalającego na całkowicie dowolne układanie algorytmów kwantowych. Oczywiście nie należy zapominać o darmowym pakiecie deweloperskim Qiskit (Quantum Information Software Kit) dostępnym na platformie GitHub. Pozwala on na interakcję z IBM Q z wykorzystaniem języka Python.

Koleją możliwością programowania IBM Q System One jest wykorzystanie gotowych do użycia algorytmów w ramach pakietu AQUA, który skupia się na 4 dziedzinach: chemii kwantowej, optymalizacji, sztucznej inteligencji oraz finansach. Wykorzystywane są translatory algorytmów adaptacyjnych kwantowych takie jak; VQE, QAOA.Variational, oraz QPE, IQPE, Grover, Amplitude Estimation. Dodatkowe oprogramowanie układowe pozwala na zarządzanie i modernizacje systemu bez przestojów, jednocześnie zapewniając bezpieczny dostęp obliczeniowy w ramach chmury hybrydowej. Nie jest to jednak hybryda w klasycznym tego słowa znaczeniu, chodzi tutaj raczej o połączenie mocy komputera kwantowego, który pozwala bardzo wyraźnie przyspieszyć rozwiązywanie problemów z zakresu NP-trudnych, czyli takich, dla których trudno jest znaleźć rozwiązanie w czasie skończonym przy użyciu klasycznych komputerów i standardowego oprogramowania.

Symulacja i debugowanie kodu kwantowego

Stworzona platforma obliczeniowa oprócz urządzenia kwantowego składa się także z systemów symulacyjnych, które są jej integralną częścią. Dzięki temu o wiele łatwiejsze jest debugowanie kodu kwantowego. Debugowanie jest dużym wyzwaniem w takim środowisku, ponieważ pomiar układu kwantowego bezpowrotnie zmienia jego stan końcowy w sposób nieodwracalny. Dlatego też konieczna jest możliwość wcześniejszej symulacja ‘kodu kwantowego’ uruchamianego na tradycyjnych maszynach, co może wymagać specjalistycznych zasobów obliczeniowych. Jednakże wykorzystując otwarty framework Quiskit, możliwe jest realizowanie tego zadania nawet na lokalnych serwerach klienta.

Budując ten system IBM ma nadzieję, że wykonywanie złożonych obliczeń kwantowych (zachowanie systemów, algorytmy nieintuicyjne, kodowanie kwantowe) stanie się osiągalne, nie tylko dla wyspecjalizowanych i uprzywilejowanych grupy naukowców. Otworzy to możliwość wykorzystania systemów kwantowych w wielu dziedzinach nauki i biznesu. Doskonałym przykładem jest chemia kwantowa, gdzie biblioteki programistyczne zawarte w komponencie Qiskit Aqua już pozwalają na potwierdzenie obliczeniowe danych doświadczalnych i symulacje zachowania większych molekuł.

Sieć partnerów współpracujących nad rozwojem IBM Q System One

IBM bardzo aktywnie inwestuje w budowę sieci partnerskiej dookoła IBM Q, nie tylko naukowej, ale również biznesowej. Głównym celem tego przedsięwzięcia jest skupienie organizacji dysponujących wiedzą i narzędziami niezbędnymi do pracy nad rozwojem obliczeń kwantowych. W ramach sieci organizacje uzyskują dostęp do najbardziej zaawansowanych systemów kwantowych IBM poprzez chmurę IBM i mają dostęp do własnych rozszerzeń pakietu Qiskit. Kolejnym z celów jest integracja profesjonalistów związanych z przemysłem oraz środowiskami akademickimi. Pozwoli to na o szybszą absorbcje nowych umiejętności w celu przyspieszenia wykorzystywania obliczenia kwantowe podczas rozwiązywania problemów. W ramach sieci IBM Q Network organizacje otrzymują wsparcie, szkolenia od wiodących w branży ekspertów technicznych IBM. Ostatnio do tej sieci dołączyły takie firmy jak ExxonMobil, CERN i Argonne National Laboratory. IBM podjęła również strategiczną decyzje o utworzeniu w tym roku pierwszego centrum naukowo-biznesowego IBM Q Quantum Computation Center w Poughkeepsie w stanie Nowy Jork.

Jednym z ważnych elementów ekosystemu dookoła inicjatywy IBM Q jest stworzenie tak zwanych IBM Q Hub, które staja się ośrodkami edukacji, badań, rozwoju i wdrażania nowych trendów w dziedzinie obliczeń kwantowych. Ośrodki akademickie współpracują bezpośrednio z IBM, aby rozwijać dziedzinę obliczeń kwantowych, jak również, aby prowadzić interdyscyplinarne badania stosowane, edukację studentów i tworzenie programów nauczania QC (Quantum Computing). Naukowcy i studenci lokalnych uniwersytetów współpracują bezpośrednio z naukowcami, inżynierami i konsultantami IBM w celu szybszego i skuteczniejszego rozwiązywania rzeczywistych problemów wykorzystując komputery kwantowe.

Autorami tekstu są: dr Piotr Biskupski, IBM Q Ambassador,IBM Security – IBM i2 – Pan-IMT Client Technical Professional oraz Piotr Beńke, CTO IBM Poland & Baltics, Executive Architect.