IBM、520量子ビットの次世代量子プロセッサー「IBM Quantum Nighthawk r3」を発表

　米IBMは現地時間11日、次世代プロセッサー「IBM Quantum Nighthawk r3（以下、Nighthawk r3）」を発表した。Nighthawk r3は、現行世代のNighthawkプロセッサーで実証されている速度と品質を維持しながら、520量子ビット上で1万回の量子演算を正確に実行し、より大規模で複雑な問題に対応できるよう構築される。2027年には、2基のNighthawk r3プロセッサーを接続し、1000を超える量子ビットを備えた単一システムを構築する計画としている。

　IBMが9月に導入したIBM Quantum Nighthawk r2は、120量子ビット上で7500回を超える量子演算による正確な計算をサポートしながら、1秒あたり最大10万サンプルを生成する。高速な量子ビット・リセット技術により、1回の回路実行と次の回路実行の間の時間を大幅に短縮し、アプリケーションが、複雑な計算に必要となる数百万から数十億のサンプルを、はるかに効率的に収集できるようにする。

　こうしたNighthawk r2で実証されたパフォーマンスを基盤に、Nighthawk r3は同じ高速アーキテクチャーを、より大規模な量子コンピューターへと拡張する。新しいプロセッサーは、520のプログラム可能な量子ビット上で1万回の量子演算をサポートするよう設計されており、物理量子ビットの総数は2034となる。Nighthawk r2の正方格子型の接続性と高速演算を維持しながら、プロセッサーをより大規模なシステムとして接続するため、「Lカプラー」と呼ばれる10個のチップ間接続を新たに導入する。

　IBMは、このモジュール型アプローチを実現する2つの重要な技術をすでに実証している。今年、IBMは4つのLカプラーを用いてNighthawk r1プロセッサーを接続し、量子状態転送で99.3％の忠実度を達成し、目標である99.9％に向けて前進した。またIBMは初めて2基の極低温モジュールを単一システムとして連結し、5日未満で稼働温度に到達させるとともに、15ミリケルビン未満まで冷却した。

　これらの進展は、モジュール化における重要な前進を示すとともに、Nighthawkをより大規模な量子コンピューターへ拡張できるという確信につながるものだと説明。2027年には、2基のNighthawk r3プロセッサーを単一の1040量子ビットシステムとして接続し、高性能アーキテクチャーをより大規模で複雑な計算へ拡張する計画だとしている。

　また、量子コンピューターを進化させるには、エラーに対処するために古典コンピューティングとどのように連携するかについても、継続的な進歩が求められる。産業用途のワークロードでは、ノイズ学習や後処理に加え、複数層の量子エラー訂正およびエラー緩和技術が必要になる。量子ワークロードの規模が拡大するにつれ、より多くの古典コンピューティングリソースが必要になり、こうした統合をいかに拡張していくかが課題となる。

　IBM Quantum Platformは、こうしたコンピューティングパラダイムを統合するため、ハイパフォーマンスコンピューティング（HPC）による古典コンピューティングと量子コンピューティングを単一の管理環境に統合する。これにより、ユーザーはさまざまな古典コンピューティングリソースと量子ワークフローを直接統合できるようになった。また、プラットフォーム上で新たに利用可能となったHPCおよび古典コンピューティングリソースと統合することもできる。

　ユーザーは、こうした統合によって有望な成果を得ており、例えばこの新しい環境を使用することで、IBMと理化学研究所（理研）の研究者は、両者が開発したサンプルベース量子対角化（SQD）の元のワークフローを約5倍高速に実行するとともに、当初の研究と比べて100倍多くの計算を実行した。また、Cleveland Clinicと理研はこのプラットフォームを活用し、生物学的に重要な構造のモデリングにおいて、6億800万サンプルを自動処理しており、これはワークフローの自動化を行わない場合と比べて33倍高速になるという。

　さらに、こうした機能強化は、量子エラー訂正のブレークスルーも後押しする。IBM Quantum Platformは、研究者が量子および古典アーキテクチャーにおけるエラーを検出し、理解し、より適切に訂正する方法を精密に制御できるようにするため、パルスレベルの機能を提供している。これにより、演算のタイミングをより適切に制御し、量子ビットをより高速にリセットするとともに、量子測定からより多くの情報を取得できるようになり、研究者が量子エラー訂正をその最も基礎的なレベルから改善するために必要な情報を得られる。

　またIBMは最近、Oak Ridge National LaboratoryおよびAMDと共同で、量子エラー訂正のための新しい共同設計プラットフォームを立ち上げた。このプラットフォームでは、Nighthawkと、AMD Instinct MI355X GPUおよび第5世代AMD EPYC CPUを搭載したOak Ridge National LaboratoryのUmbra High-Performance Computingシステムを物理的に同一の場所に配置する。