IBM uruchomił Nighthawk r2 - najnowszą generację swojego procesora kwantowego, która ma przede wszystkim rozwiązać problem znacznie mniej widowiskowy niż sama liczba kubitów, ale niezwykle ważny z punktu widzenia praktycznych zastosowań. Chodzi o czas tracony pomiędzy kolejnymi wykonaniami obwodów kwantowych. Dzięki nowemu mechanizmowi bardzo szybkiego resetowania kubitów Nighthawk r2 może wykonywać ponad 100 tysięcy obwodów na sekundę, czyli osiągać do 25 razy większą przepustowość niż obecna flota procesorów IBM Heron. Nowy układ ma 120 programowalnych kubitów, a więc pod tym względem nie jest rekordzistą IBM. Jego najważniejsza przewaga kryje się gdzie indziej - w możliwości wykonania znacznie większej liczby użytecznych prób w tym samym czasie. To szczególnie ważne w komputerach kwantowych, gdzie jeden obwód musi być zazwyczaj wykonywany wielokrotnie, aby na podstawie wielu pomiarów uzyskać wiarygodny rezultat. Nighthawk r2 jest już dostępny przez IBM Quantum Platform i osiągnął również kolejny cel z mapy rozwoju firmy: dokładne obliczenia na obwodach zawierających ponad 7500 bramek kwantowych.
Czy IBM Nighthawk r2 naprawdę jest 25 razy szybszy od poprzednich komputerów kwantowych?
Informacja o 25-krotnym przyspieszeniu wymaga odpowiedniego kontekstu. IBM nie twierdzi, że każdy program uruchomiony na Nighthawk r2 zakończy się dokładnie 25 razy szybciej niż na procesorze Heron. Firma porównuje parametr określany jako maximum circuits per second, czyli maksymalną liczbę obwodów kwantowych, które system jest w stanie wykonać w ciągu sekundy. Heron osiąga w tym ujęciu około 4000 obwodów na sekundę, natomiast Nighthawk r2 przekracza granicę 100 tysięcy. Daje to właśnie około 25-krotną różnicę w maksymalnej przepustowości. Z punktu widzenia użytkownika oznacza to możliwość wykonania znacznie większej liczby powtórzeń, eksperymentów i wariantów obliczeń w tej samej jednostce czasu. IBM uważa przepustowość obwodów za jeden z trzech podstawowych parametrów sprzętu kwantowego obok skali oraz jakości wykonywanych operacji.
Rzeczywiste skrócenie czasu konkretnego zadania może być jednak mniejsze. W pierwszych testach obwodów rozważanych jako kandydaci do demonstracji przewagi kwantowej IBM obserwował nawet około 10-krotne skrócenie czasu wykonania bez utraty dokładności. W symulacjach związanych z rozpraszaniem neutronów zwiększona przepustowość Nighthawk r2 przyniosła około 12-krotne przyspieszenie, pozwalając uzyskać widma możliwe do zestawienia z wynikami laboratoryjnymi w mniej więcej minutę. Pokazuje to, dlaczego nie należy utożsamiać maksymalnego 25-krotnego wzrostu przepustowości z przyspieszeniem każdego programu. Końcowy wynik zależy od charakteru obwodu, liczby wymaganych powtórzeń, sposobu przesyłania zadań oraz wykorzystania pozostałych elementów całego systemu.
Dlaczego resetowanie kubitów było tak dużym problemem dla komputerów kwantowych?
Każde wykonanie obwodu kwantowego rozpoczyna się od przygotowania kubitów w określonym stanie początkowym. Po zakończeniu obliczenia następuje pomiar, a przed następnym uruchomieniem wszystkie potrzebne kubity muszą ponownie znaleźć się w odpowiednim stanie. W poprzednich generacjach procesorów IBM stosowano między innymi reset warunkowy: system mierzył kubit i, jeśli znajdował się on w stanie odpowiadającym jedynce, wykonywał odpowiednią operację, aby sprowadzić go do stanu podstawowego. Metoda miała jednak ograniczenia wynikające z niedoskonałości samego pomiaru i nie zawsze radziła sobie ze stanami znajdującymi się poza standardową przestrzenią obliczeniową. Z tego powodu sprzęt musiał dodatkowo pozostawać bezczynny przez setki mikrosekund, czekając, aż kubity w naturalny sposób wrócą do odpowiedniego stanu. Przy milionach wykonywanych powtórzeń nawet tak niewielkie opóźnienie staje się ogromnym ograniczeniem.
Nighthawk r2 wprowadza osobny mechanizm aktywnego resetowania dla każdego ze 120 programowalnych kubitów. Kubit jest za pośrednictwem przestrajalnego sprzęgacza chwilowo łączony z zimnym środowiskiem, które bardzo szybko odbiera zgromadzoną energię. IBM podaje, że efektywny czas relaksacji T1 może zostać w tym trybie zmniejszony z mediany około 200 mikrosekund do około 25 nanosekund. W praktyce pozwoliło to ograniczyć domyślne opóźnienie pomiędzy powtórzeniami z około 250 mikrosekund do zaledwie 1 mikrosekundy. To właśnie ta pozornie techniczna zmiana odpowiada za ogromną część wzrostu przepustowości. Zamiast budować procesor z kilkuset dodatkowymi programowalnymi kubitami IBM skoncentrował się więc na tym, aby istniejące kubity spędzały znacznie większą część czasu na rzeczywistych obliczeniach.
Ile kubitów ma IBM Nighthawk r2 i dlaczego liczba 120 nie mówi wszystkiego?
Nighthawk r2 udostępnia użytkownikowi 120 programowalnych kubitów. Na pierwszy rzut oka może to wyglądać jak krok wstecz wobec procesorów Heron wyposażonych w 156 programowalnych kubitów. W praktyce porównywanie komputerów kwantowych wyłącznie na podstawie tego parametru jest coraz mniej użyteczne. Nighthawk został zaprojektowany w architekturze kwadratowej, w której większość kubitów może komunikować się z czterema najbliższymi sąsiadami. W poprzednich architekturach IBM typowe było połączenie z dwoma lub trzema sąsiednimi kubitami. Większa łączność może zmniejszać liczbę dodatkowych operacji potrzebnych do realizacji bardziej złożonych obwodów, a każda zbędna operacja jest istotna w urządzeniu, w którym błędy nadal pozostają jednym z głównych ograniczeń.
Jeszcze ciekawsze jest to, że 120 kubitów widocznych dla programisty stanowi tylko część fizycznej struktury procesora. Układ zawiera również 218 dedykowanych sprzęgaczy oraz 120 elementów odpowiedzialnych za niezależny reset - po jednym dla każdego programowalnego kubitu. Łącznie IBM mówi więc o 458 fizycznych elementach kwantowych. Z inżynierskiego punktu widzenia część elementów wspierających jest bardzo podobna do samych programowalnych kubitów, mimo że użytkownik nie wykorzystuje ich bezpośrednio w algorytmie. Nighthawk r2 dobrze pokazuje kierunek rozwoju całej branży: coraz większa część kwantowego układu może być przeznaczona nie na bezpośrednie przechowywanie informacji, ale na komunikację, sterowanie, reset oraz w przyszłości korekcję błędów.
Czy większa szybkość Nighthawk r2 oznacza również bardziej dokładne obliczenia kwantowe?
Samo zwiększenie liczby wykonywanych obwodów nie miałoby dużej wartości, gdyby odbywało się kosztem gwałtownego wzrostu liczby błędów. IBM podkreśla więc, że Nighthawk r2 zachowuje jakość operacji porównywalną z rodziną Heron mimo znacznie większej przepustowości. Co więcej, nowy mechanizm resetowania pomaga również w przygotowywaniu kubitów do obliczeń. Aktywne chłodzenie sprowadza je do stanu podstawowego znacznie skuteczniej niż wcześniejsze metody, a według pomiarów IBM błąd inicjalizacji został ograniczony mniej więcej 25-krotnie. Istotne jest również to, że reset pojedynczego kubitu nie zakłóca w znaczącym stopniu pracy jego sąsiadów. Jest to szczególnie ważne w gęściej połączonej architekturze Nighthawk.
Jednym z ważniejszych rezultatów zaprezentowanych wraz z r2 jest wykonanie dokładnych estymacji obserwabli dla obwodów zawierających ponad 7500 bramek. IBM wykorzystał przy tym technikę Probabilistic Error Amplification należącą do szerszej grupy metod ograniczania wpływu błędów. Osiągnięcie przekracza wyznaczony na 2026 rok cel z mapy rozwoju IBM Quantum. Nie oznacza jeszcze powstania w pełni odpornego na błędy komputera kwantowego. Obecne procesory należą wciąż do epoki, w której niedoskonałości fizycznych kubitów trzeba kompensować technikami programowymi i statystycznymi. Możliwość prowadzenia wiarygodnych obliczeń na coraz bardziej rozbudowanych obwodach jest jednak niezbędna, jeśli komputery kwantowe mają przejść od krótkich demonstracji do problemów mających znaczenie naukowe lub przemysłowe.
Dlaczego przepustowość obwodów jest tak ważna w praktycznym komputerze kwantowym?
Obliczenie kwantowe zasadniczo różni się od uruchomienia typowego programu na klasycznym procesorze. Pomiar stanu kwantowego daje pojedynczy rezultat zgodny z określonym rozkładem prawdopodobieństwa, dlatego ten sam obwód zazwyczaj trzeba wykonać bardzo wiele razy. Dopiero analiza dużej liczby takich „strzałów” pozwala wiarygodnie oszacować oczekiwaną wartość wyniku. Jeżeli potrzebnych jest kilka tysięcy lub milionów wykonań wielu różnych obwodów, czas resetu, pomiaru i ponownego uruchomienia staje się równie ważny jak szybkość pojedynczej bramki. To właśnie dlatego IBM chce mierzyć sprzęt nie tylko liczbą kubitów, lecz również liczbą obwodów możliwych do wykonania w ciągu sekundy.
Znaczenie tego parametru rośnie jeszcze bardziej w algorytmach wariacyjnych, symulacjach fizyki i chemii czy badaniach nad przewagą kwantową. Naukowiec może potrzebować przetestowania ogromnej liczby parametrów i wykonania każdej konfiguracji wiele razy. Jeżeli procesor jest w stanie realizować ponad 100 tysięcy obwodów na sekundę zamiast około 4 tysięcy, tę samą przydzieloną godzinę dostępu do sprzętu można wykorzystać znacznie intensywniej. IBM zwraca uwagę również na aspekt ekonomiczny - większa liczba użytecznych obliczeń wykonywana przez ten sam system poprawia relację kosztu do możliwości. W komputerach kwantowych szybkość nie jest więc wyłącznie kwestią wygody użytkownika. Bez odpowiedniej przepustowości niektóre eksperymenty stają się praktycznie zbyt czasochłonne, mimo że teoretycznie mieszczą się w możliwościach samego procesora.
Czym Nighthawk r2 różni się od pierwszej wersji Nighthawk r1?
Pierwsza generacja Nighthawk r1 została wprowadzona pod koniec 2025 roku i również oferowała 120 programowalnych kubitów. IBM nie zdecydował się więc w r2 na zwiększenie podstawowej skali procesora. Najważniejszą zmianą stała się właśnie infrastruktura otaczająca kubity. Dodanie niezależnego szybkiego resetu do każdego z nich zwiększyło liczbę fizycznych elementów układu i pozwoliło radykalnie skrócić przerwy pomiędzy kolejnymi wykonaniami obwodów. Dokumentacja IBM wymienia Nighthawk r2 jako rewizję z września 2026 roku i właśnie zwiększoną maksymalną liczbę obwodów na sekundę wskazuje jako jej podstawową przewagę.
Zmiana dobrze obrazuje dojrzewanie technologii kwantowej. Pierwszy etap rywalizacji producentów koncentrował się w dużej mierze na zwiększaniu liczby kubitów. Dziś wiadomo już, że procesor z większą liczbą bardzo zaszumionych lub słabo połączonych kubitów nie musi być bardziej użyteczny od mniejszego urządzenia o lepszej jakości i znacznie większej przepustowości. IBM proponuje więc ocenianie sprzętu w trzech wymiarach: skali mierzonej programowalnymi kubitami, jakości związanej z liczbą operacji możliwych do wykonania z wystarczającą dokładnością oraz szybkości wyrażanej przepustowością obwodów. Nighthawk r2 jest przykładem generacji, w której największy postęp następuje właśnie w trzecim z tych obszarów.
Czy Nighthawk r2 przybliża IBM do osiągnięcia praktycznej przewagi kwantowej?
IBM wykorzystuje pojęcie przewagi kwantowej w odniesieniu do zadań, w których połączenie sprzętu kwantowego i odpowiednich metod weryfikacji umożliwia uzyskanie wartościowego wyniku trudnego do osiągnięcia najlepszymi znanymi metodami klasycznymi. Nighthawk r2 został już wykorzystany do eksperymentów z tzw. doped Clifford sampling, rozwijanych we współpracy naukowców University of Chicago i IBM. Firma argumentuje, że zwiększona łączność i przepustowość Nighthawk powinny umożliwić wykonywanie kolejnych bardziej rozbudowanych eksperymentów tego typu. Równie istotne są zastosowania naukowe, ponieważ przyspieszenie symulacji rozpraszania neutronów pokazuje, że większa liczba obwodów na sekundę może mieć praktyczny wpływ na czas prowadzenia badań.
Nie oznacza to jednak, że Nighthawk r2 jest uniwersalnym komputerem, który nagle zastąpi klasyczne superkomputery. Technologie te mają obecnie działać razem w modelu określanym przez IBM jako quantum-centric supercomputing. Klasyczne procesory i akceleratory wykonują znaczną część pracy, natomiast QPU otrzymuje te fragmenty problemu, w których mechanika kwantowa może przynieść przewagę. Im szybszy staje się przepływ zadań przez procesor kwantowy, tym bardziej praktyczne jest takie połączenie. Z tego punktu widzenia 25-krotny wzrost maksymalnej przepustowości może być ważniejszy niż zwiększenie liczby kubitów o kolejnych kilkadziesiąt, jeśli dzięki niemu hybrydowy system jest w stanie zakończyć rzeczywisty eksperyment w akceptowalnym czasie.
Czy można już korzystać z procesora IBM Nighthawk r2 przez internet?
Nighthawk r2 nie jest wyłącznie prototypem laboratoryjnym. Pierwszy działający system został udostępniony użytkownikom IBM Quantum Platform pod nazwą ibm_phoenix. Dostęp obejmuje między innymi plany Premium, Flex oraz Pay-As-You-Go, dzięki czemu organizacje i naukowcy mogą wykonywać na nim własne obwody bez fizycznego dostępu do komputera kwantowego. IBM Quantum Platform podaje dla ibm_phoenix 120 programowalnych kubitów i 458 elementów fizycznych, a obserwowana przepustowość przekracza 100 kHz. Jest to istotne, ponieważ wiele parametrów procesorów kwantowych prezentowanych w zapowiedziach technologicznych pozostaje przez długi czas demonstracjami laboratoryjnymi. W tym przypadku nowa architektura trafiła już do środowiska dostępnego dla użytkowników.
Technologia będzie również wdrażana w kolejnych ośrodkach badawczych. IBM i Lockheed Martin poinformowały we wrześniu, że pierwszy w Szwajcarii IBM Quantum System Two ma zostać zainstalowany w Swiss National Supercomputing Centre w Lugano, należącym do ETH Zurich. System ma być napędzany właśnie procesorem z rodziny Nighthawk i rozpocząć działanie do końca 2026 roku. Dostęp mają uzyskać szwajcarskie instytucje badawcze i organizacje pracujące między innymi nad chemią, materiałami, optymalizacją oraz zastosowaniami finansowymi. Pokazuje to, że IBM traktuje Nighthawk r2 nie jako jednorazowy rekord laboratoryjny, lecz jako element rozwijanej infrastruktury obliczeń kwantowych.
Czy Nighthawk r2 oznacza, że komputery kwantowe wreszcie stają się praktyczne?
Nighthawk r2 jest ważnym postępem, ale nadal nie oznacza rozwiązania wszystkich podstawowych problemów komputerów kwantowych. Dzisiejsze kubity pozostają podatne na zakłócenia i błędy, a wykonywanie bardzo długich algorytmów wymaga zarówno wysokiej jakości operacji, jak i zaawansowanych metod ograniczania skutków niedoskonałości sprzętu. W pełni odporne na błędy komputery kwantowe będą dodatkowo potrzebować korekcji błędów, w której wiele fizycznych zasobów sprzętowych zostanie wykorzystanych do stworzenia znacznie bardziej niezawodnych kubitów logicznych. Sam wzrost przepustowości nie eliminuje tych problemów. IBM rozwija równolegle technologie korekcji błędów i traktuje je jako niezbędny element drogi do skalowalnych systemów odpornych na zakłócenia.
Nowa generacja pokazuje jednak, że rozwój komputerów kwantowych przestaje sprowadzać się do wyścigu na największą liczbę kubitów. Nighthawk r2 ma dokładnie tyle samo programowalnych kubitów co r1, a mimo to może być znacznie bardziej użytecznym procesorem. Zwiększenie przepustowości, ograniczenie błędów inicjalizacji, poprawa łączności i możliwość wykonywania dokładnych obliczeń obejmujących ponad 7500 bramek razem przekładają się na większą ilość rzeczywistej pracy możliwej do wykonania przez system. To właśnie ten kierunek może mieć największe znaczenie w najbliższych latach. Zamiast pytać wyłącznie „ile kubitów ma komputer kwantowy?”, coraz częściej trzeba będzie pytać, jak dobre są te kubity, jak skomplikowane obwody potrafią wykonać i ile użytecznych obliczeń system może przeprowadzić w ciągu sekundy. Pod tym względem Nighthawk r2 jest dla IBM jednym z najważniejszych kroków 2026 roku.
