IBM เปิดตัวชิป Quantum Nighthawk r3 รองรับ 520 คิวบิต

IBM ประกาศเปิดตัว IBM Quantum Nighthawk r3 โปรเซสเซอร์ควอนตัมแบบตัวนำยิ่งยวดรุ่นล่าสุดที่ออกแบบมาเพื่อรองรับการดำเนินการควอนตัมที่แม่นยำถึง 10,000 รายการบน 520 คิวบิตที่ตั้งโปรแกรมได้ โดยมีแผนจะเชื่อมต่อชิป r3 สองตัวเข้าด้วยกันเพื่อสร้างระบบขนาด 1,040 คิวบิตในปี 2027

สำหรับนักพัฒนานั้น ไฮไลท์สำคัญอยู่ที่ความเร็วในการประมวลผล โดย Nighthawk r2 รุ่นที่เปิดใช้งานอยู่ในปัจจุบัน สามารถจัดการปริมาณงานได้เร็วกว่าโปรเซสเซอร์รุ่นก่อนของ IBM สูงสุดถึง 19 เท่า

TL;DR

• ขนาด: Nighthawk r3 มาพร้อม 520 คิวบิตที่ตั้งโปรแกรมได้ (2,034 ฟิสิคัลคิวบิต) ส่วนรุ่น r2 ที่เปิดใช้แล้วมี 120 คิวบิต
• การเข้าถึง: ใช้งานผ่าน IBM Quantum Platform cloud (r2 ใช้ชื่อรหัส ibm_phoenix) ทำงานบนชิปตัวนำยิ่งยวดในระบบทำความเย็นจัดร่วมกับการประมวลผลแบบคลาสสิก
• ประสิทธิภาพ: r2 ประมวลผลได้กว่า 100,000 เซอร์กิตต่อวินาที ซึ่งสูงกว่ารุ่น Heron ประมาณ 25 เท่า โดยยังคงความแม่นยำในระดับเดียวกัน
• จุดเด่น: เร็วกว่ารุ่นเดิมสูงสุด 19 เท่าในแอปพลิเคชันจริง โดย E.ON พบความเร็วเพิ่มขึ้น 15 เท่าในการใช้งานด้านพลังงาน
• ข้อจำกัด: r3 ยังอยู่ ในขั้นตอนการออกแบบ ไม่ใช่ฮาร์ดแวร์ที่พร้อมส่งมอบทันที และการเชื่อมต่อระหว่างชิปยังมีความแม่นยำเฉลี่ยที่ 99% ซึ่งยังไม่ถึงเป้าหมาย 99.9%
• สรุป: เป็นการยกระดับ throughput จริงบนระบบคลาวด์ที่ใช้งานได้ทันที ส่วนระบบ 1,040 คิวบิตเป็นแผนงานในอนาคตปี 2027

IBM Quantum Nighthawk คืออะไร?

Nighthawk คือตระกูลโปรเซสเซอร์แบบตารางสี่เหลี่ยม (square-lattice) ที่ IBM พัฒนาขึ้นเพื่อรองรับงานระดับ quantum advantage โดยคิวบิตส่วนใหญ่จะเชื่อมต่อกับคิวบิตข้างเคียง 4 ตัว ซึ่งมากกว่าดีไซน์เดิมที่มีเพียง 2 หรือ 3 ตัว ช่วยให้การสร้างโครงสร้างที่พัวพัน (entangling structure) ทำได้รวดเร็วขึ้นและลดการดำเนินการ swap ลง

ปัจจุบันชิปที่ใช้งานจริงคือ Nighthawk r2 ซึ่งประกอบด้วย 120 คิวบิตที่ตั้งโปรแกรมได้ 218 couplers และ 120 reset elements รวมเป็นองค์ประกอบควอนตัมทางกายภาพทั้งหมด 458 ชิ้น

Nighthawk r2 เพิ่ม throughput ได้อย่างไร?

กุญแจสำคัญคือการแก้ปัญหาคอขวดในการรีเซ็ตคิวบิต โดยรุ่น Heron เดิมใช้วิธีการรีเซ็ตแบบมีเงื่อนไข (conditional reset) ที่ต้องวัดผลก่อนแล้วจึงพลิกสถานะ ซึ่งไม่สามารถจัดการกับคิวบิตที่รั่วไหล (leaked qubits) ได้ ทำให้ต้องหยุดพักระบบนานหลายร้อยไมโครวินาที

Nighthawk r2 เปลี่ยนมาใช้อุปกรณ์รีเซ็ตแบบกระจาย (dissipative reset gadget) ในทุกคิวบิต พร้อมตัวเชื่อมต่อแบบปรับจูนได้ที่ช่วยระบายความร้อนตามความต้องการ ส่งผลให้ระยะเวลาว่างระหว่างการรันลดลงเหลือเพียง 1 ไมโครวินาที

เทคโนโลยีนี้ทำให้รันได้มากกว่า 100,000 เซอร์กิตต่อวินาที เทียบกับ Heron ที่ทำได้เพียง 4,000 ครั้ง นอกจากนี้ IBM ยังระบุว่ามีข้อผิดพลาดในการเริ่มต้นระบบ (initialization error) ลดลงถึง 25 เท่าโดยไม่รบกวนคิวบิตข้างเคียง

รายงานความสำเร็จจากพันธมิตร

ปัจจุบันลูกค้าได้ทดลองรันเซอร์กิตบน Nighthawk r2 ไปแล้วกว่า 3.4 หมื่นล้านครั้ง โดยมีผลลัพธ์ที่น่าสนใจดังนี้:

• E.ON: พบความเร็วในการเรียนรู้ของเครื่องเชิงควอนตัม (QML) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพโครงข่ายไฟฟ้าเพิ่มขึ้น 15 เท่า
• Oak Ridge National Laboratory: จำลองวัสดุแม่เหล็กได้เร็วขึ้น 12 เท่า
• Algorithmiq: รันเซอร์กิตเร็วขึ้น 8 เท่า และใช้ทรัพยากรน้อยกว่าวิธีแบบเดิมอย่างมาก
• Q-CTRL: สามารถจำลอง fermionic 60 คิวบิต โดยใช้เวลาลดลงจาก 4 นาที 25 วินาที เหลือเพียง 23 วินาที

นวัตกรรมใน Nighthawk r3

Nighthawk r3 จะต่อยอดจาก r2 โดยขยายขนาดเป็น 520 คิวบิตที่ตั้งโปรแกรมได้ และเพิ่ม l-couplers 10 จุด เพื่อทำหน้าที่เป็นสะพานเชื่อมระหว่างชิป ซึ่งเป็นก้าวสำคัญสู่ระบบ 1,040 คิวบิต

IBM ได้ทดสอบ เชื่อมต่อชิป Nighthawk r1 จำนวน 2 ตัว ผ่านสายเคเบิลยาว 80 ซม. โดยทำความแม่นยำในการถ่ายโอนสถานะได้เฉลี่ย 99% และสามารถ เชื่อมต่อโมดูลไครโอเจนิก 2 ชุด เข้าด้วยกันได้สำเร็จในเวลาไม่ถึง 5 วัน

การบูรณาการร่วมกับการประมวลผลคลาสสิก

แพลตฟอร์มควอนตัมของ IBM ในปัจจุบันสามารถทำงานร่วมกับระบบ HPC (High-Performance Computing) ได้อย่างไร้รอยต่อ โดยผู้ใช้สามารถส่งงานจากแล็ปท็อปหรือซูเปอร์คอมพิวเตอร์ผ่านระบบเวิร์กโฟลว์อัตโนมัติ

ตัวอย่างความสำเร็จเช่น RIKEN และ Cleveland Clinic ที่สามารถ ประมวลผล 608 ล้านตัวอย่าง ได้เร็วขึ้น 33 เท่า และงานวิจัย sample-based quantum diagonalization ที่เร็วขึ้น 5 เท่าพร้อมรองรับปริมาณการคำนวณที่มากขึ้น

ตารางเปรียบเทียบโปรเซสเซอร์ควอนตัม