IBM Quantum Nighthawk R2

IBM Quantum Nighthawk r2 — より多くの回路を、より速く

主なポイント：

• IBM Quantum Nighthawk r2は、独立した高速な量子ビットリセットを使用して、毎秒10万以上の回路を実行します。これはIBM Quantum Heronと比較して最大25倍の回路スループットです。
• アクティブな量子ビットリセットは、初期化エラーを約25分の1に低減しつつ、Heronクラスのゲート忠実度と近隣への影響がない動作を維持します。
• IBM Quantum Nighthawk r2は、120個のプログラム可能な量子ビット、218個のカプラー、120個のリセット要素を組み合わせ、合計458個の物理量子要素を備えています。
• ミッドサーキットリセットとダイナミックサーキットにより、Nighthawk r2は量子エラー訂正およびフォールトトレラント量子コンピューティングの研究のための強力なプラットフォームとなります。
• Nighthawk r2は、7,500以上のゲートを含む回路で正確な結果を提供します。これはIBM Quantumロードマップにおける重要な2026年のマイルストーンです。Nighthawk r2についてさらに詳しく知りたいですか？IBM Quantum Platformで探索するか、9月10日のウェビナー「Quantum computing performance in practice」に登録してください。

量子優位性の最初のデモンストレーションから、低温システム向けの新しいモジュラーアーキテクチャまで、今年は量子コンピューティングにおいて多くの重要な進歩がありました。現在IBM Quantum Platformで利用可能なIBM Quantum Nighthawk r2により、その進歩は続いています。

Nighthawk r2は、IBMにとってこれまでにない最速の量子プロセッサです。120個のプログラム可能な量子ビットと画期的な高速量子ビットリセットアーキテクチャを備え、毎秒10万以上の回路を実行できます。これは、今日のIBM Quantum Heronフリートの回路スループットの25倍に相当します。さらに、このプロセッサは、IBM Quantumロードマップにおける2026年の主要なマイルストーンを達成し、7,500ゲートを超える回路で正確な観測値推定をすでに実証しています。

量子ハードウェアメトリクスに関する最近の投稿で議論されたように、IBMは量子ハードウェアをスケール、品質、速度という3つの基本的な次元で評価しています。Nighthawk r2は、そのr1前モデルのスケールを維持しつつ、品質に的を絞った改善を提供しますが、最も顕著な進歩は速度にあります。IBMの研究者がどのようにしてその改善を実現したのか、詳しく見ていきましょう。

［画像: Nighthawk r2 - V2.png］

IBM Quantum Nighthawk r2、IBM史上最速の量子プロセッサは、毎秒10万以上の回路を実行できます。

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独立した高速量子ビットリセットで計算を加速

IBM Quantum Nighthawk r2は、量子コンピューティングにおける長年のボトルネック、すなわち回路実行間に量子ビットがリセットされるのを待つ時間を解決します。すべての量子回路は、既知の状態に準備された量子ビットから始まり、量子ビットの測定で終わります。実行間には、次のショットを開始する前に、量子ビットを基底状態に戻す必要があります。

以前の世代のIBM Quantumプロセッサ（Heronを含む）でこれを達成するために、私たちはダイナミックサーキットを搭載した条件付きリセットという技術に依存しています。プロセッサは量子ビットの状態を測定し、|1⟩状態にあることが判明した場合、ビットフリップゲート（特にπパルス）を適用して量子ビットを基底状態に戻します。

しかし、条件付きリセットは測定の忠実度に制限され、計算状態の外に漏洩した量子ビットをリセットすることはできません。完全なリセットを保証するために、システムは回路実行間に数百マイクロ秒の間アイドル状態にする必要があります。

Nighthawk r2は、条件付きリセットとアイドル時間を散逸リセットガジェットに置き換えます。各プログラム可能な量子ビットは、高ダイナミックレンジのチューナブルカプラーを介して、要求に応じて基底状態に引き戻す冷環境に接続されています。そのカプラーをアクティブにすると、量子ビットの実効T1（エネルギーを保持する時間を示す指標）が中央値約200マイクロ秒から約25ナノ秒に低下し、大幅に高速で高品質なリセットが可能になります。

重要なのは、このアクティブな量子ビットリセットは、隣接する量子ビットを妨害せず、回路実行間のアイドル時間をわずか1マイクロ秒にまで短縮することです。その結果、システムが時間内に実行できる有用な計算量が劇的に増加します。Nighthawk r2は、毎秒10万回路を実行でき、Heron（毎秒約4,000回路）の25倍の高速化を実現します。

実際には、その利点は、研究コミュニティで一般的な大規模で反復的なワークロードで最も顕著になります。アドバンテージ候補回路での初期テストでは、精度を損なうことなく、実行時間が最大10倍高速になることが示唆されています。

これを達成するには、ユーザーが直接プログラムするよりも多くの制御可能な量子要素が必要です。Nighthawk r2の120個のプログラム可能な量子ビットは、218個の専用カプラーと、各プログラム可能な量子ビットに1つずつペアになった120個の独立した量子ビットリセット要素によってサポートされており、合計458個の物理量子要素を備えています。

エンジニアリングの観点からは、これらの追加のカプラーとリセット要素はプログラム可能な量子ビットとほぼ区別がつかないため、Nighthawk r2はIBMがこれまでに製造した中で最も複雑な量子プロセッサとなっています。

品質を犠牲にすることなく速度を向上

もちろん、たとえ最も高速な量子プロセッサであっても、その速度が有用で正確な計算に必要な忠実度を犠牲にするものであれば、ほとんど価値はありません。

Nighthawk r2は前モデルの品質を維持するだけでなく、重要な改善をもたらしています。新しい高速リセット機能は量子ビットを基底状態に積極的に冷却するため、デバイス全体で初期化エラーが約25分の1に低減されます。そのメカニズムは単純です。よりクリーンな開始状態は、より正確な結果をもたらします。

重要なのは、Nighthawk r2は他のパフォーマンスを犠牲にすることなくこれらの利点を実現していることです。非常に高速で動作しながらもHeronクラスのゲート忠実度を維持し、隣接する量子ビットのパフォーマンスを低下させることなく個々の量子ビットリセットを実行します。

近隣に影響を与えない量子ビットリセットは、Nighthawkの正方格子アーキテクチャにとって非常に重要です。このアーキテクチャでは、ほとんどの量子ビットが4つの最も近い隣接量子ビットに接続されています（以前のアーキテクチャでは2つまたは3つのみ）。これにより、回路設計における複雑さと効率性が向上します。その結果、より多くの量子計算を実行するだけでなく、より有用な量子計算を実行するプロセッサが誕生しました。

量子優位性とNighthawk r2でのその他の初期結果

Nighthawk r2の速度と品質の向上は、その量子計算能力のエキサイティングなデモンストレーションをすでに可能にしています。

例えば、信頼できる量子計算による量子優位性の実証の最近のデモンストレーションに続き、研究者たちはNighthawk r2を使用して、UChicagoとIBMの協力によって開発されたドーピングされたクリフォードサンプリング優位性実験を実行しました。

［画像: demo-fig.jpg］

これらの実験は、今日の量子コンピュータで量子コードが、最先端の古典シミュレーション手法の範囲を超える計算を実行するためにどのように使用できるかを示しており、同時に計算が正しく実行されたという信頼性も提供しています。Heronプロセッサと比較してNighthawk r2の接続性が向上したことで、より広範な回路と問題クラスで量子優位性のデモンストレーションがさらに増えることが期待されます。

さらに、Nighthawk r2は、7,500ゲートを含む回路で確率的誤差増幅（PEA）を使用した正確な観測値推定を実証しました。これは、ますます複雑な量子回路の信頼性の高い実行に向けた重要なマイルストーンであり、2026年のIBM Quantumロードマップの主要な目標です。

その利点は、アプリケーションを直接探索する実験にも及びます。今年の初めに報告された中性子散乱シミュレーションでは、Nighthawk r2の処理能力の向上により12倍の高速化が実現し、約60秒で実験室での実測データと直接比較できるスペクトルを生成しました。

［画像: neutron-demo.png］

これらの結果は together、スループットと品質の進歩が、量子優位性のデモンストレーションを可能にし、ロードマップを達成し、量子アプリケーションの発見を加速する実用的な計算能力にどのように変換されているかを示しています。

量子エラー訂正のために構築

Nighthawk r2の新しいリセット機能は、回路間だけでなく、回路実行中にも利用できます。これは、単一回路実行の実行時間内に量子ビット測定を実行することを含む高度な機能であるダイナミックサーキットに、計り知れない効率向上をもたらします。

多くの量子エラー訂正プロトコルと高度な量子古典ワークフローはダイナミックサーキットを必要とし、すべてのプログラム可能な量子ビットにわたる信頼性の高い独立したリセットは、Nighthawk r2をこれらの分野の研究を実施するための強力なプラットフォームにします。

新しいリセット機能により、スペースタイムチェックのような量子エラー検出および量子エラー訂正プロトコル中に補助量子ビットを繰り返し使用できるようになり、論理量子ビットをワークロードに導入する実験にさらなる柔軟性をもたらします。1

多くの点で、これはIBM QuantumロードマップにおけるNighthawkの役割を反映しています。当初は量子優位性の探索とスケーリングのためのプラットフォームとして導入されましたが、現在では強化されたエラー訂正操作のテストベッドとなっています。

今すぐ回路を実行

量子ハードウェアが成熟するにつれて、課題は単に大きくて優れたプロセッサを構築することではなくなりました。それは、すでに利用可能なシステムで研究者が達成できることを最大化することです。120個のプログラム可能な量子ビットと独立した高速量子ビットリセットを備えたNighthawk r2は、研究者をこれらの制限から解放することを目指しています。

回路スループットの向上は、新しいNighthawkが同じ割り当て内で大幅により多くのワークロードを実行できることを意味します。Nighthawk r2を使用すると、ユーザーはより多くの実用的な計算能力を実現できると推定されており、量子リソースの管理に費やす時間を減らし、それらのリソースが可能にするものを発見することにもっと時間を費やすことができます。

新しいNighthawk r2プロセッサは、現在IBM Quantum Platformで利用可能です。アプリケーション研究のスケーリング、ダイナミックサーキットのパワーの探索、最新の量子エラー訂正研究の推進など、この新しいシステムは、より多くの量子コンピューティングを、より速く実行するのに役立ちます。

最終的に、量子コンピュータに関する最も重要なことは、量子ビットやコンポーネントの数ではありません。それは、システムが提供できる有用な計算量です。業界がより高度なワークロードとフォールトトレラント計算へと進化するにつれて、ハードウェアのイノベーションを実用的な能力に転換するために継続的に取り組むことが不可欠です。IBM Quantum Platformにアクセスして、IBM Quantum Nighthawk r2があなたの研究に何をもたらすかを確認してください。