IBM presenta i primi processori quantistici modulari: ecco Flamingo e Crossbill

IBM è solita tenere una conferenza con le ultime novità legate al mondo quantistico nella seconda metà di novembre. Il 2024 è però il primo anno in cui l'azienda ha tenuto la Quantum Developer Conference, o QDC in breve. Si tratta di un cambiamento significativo, perché segnala che per IBM i computer quantistici hanno raggiunto una maturità tale da meritare una conferenza per gli sviluppatori. È in questo contesto che l'azienda ha presentato novità sia hardware, con i nuovi processori interconnessi, sia software.

IBM Heron R2 e Flamingo: arrivano i processori quantistici interconnessi

Due anni fa IBM aveva promesso che avrebbe sviluppato un computer quantistico in grado di eseguire circuiti con 100 qubit e una profondità di 100 porte in meno di un giorno. I circuiti sono l'equivalente delle funzioni nel mondo classico, ovvero una serie fissata di operazioni logiche che porta al risultato desiderato; la profondità è invece la quantità di porte logiche (AND, OR, e così via; nel mondo quantistico ciascun qubit può essere configurato al volo per eseguire una porta logica differente) necessarie per eseguire il circuito.

La scelta di questi numeri, per quanto simbolica, è in realtà dettata anche dal fatto che si tratta di calcoli che vanno al di là delle possibilità di emulazione da parte dei computer classici. In altri termini, IBM si è data un obiettivo che non è possibile raggiungere senza hardware quantistico sufficientemente potente e libero da errori.

IBM ha annunciato che tale obiettivo è stato raggiunto grazie alla seconda revisione del processore Heron lanciato lo scorso anno: i miglioramenti apportati nel corso dell'ultimo anno all'hardware, al software e al middleware hanno consentito di eseguire calcoli accurati con circuiti da 5.000 porte su due qubit. IBM fa notare che l'esperimento che ha provato la cosiddetta "utilità quantistica", ovvero il fatto che i computer quantistici siano ora utilizzabili per eseguire calcoli utili ai fini pratici, aveva un totale di 2.880 porte.

Il nuovo Heron R2 (nell'immagine sopra) è dotato di 156 qubit disposti a "esagono pesante", in cui i qubit sugli spigoli dell'esagono sono connessi ad altri tre qubit, mentre quelli sui lati sono connessi solo a due; il processore è dotato degli stessi accoppiatori di cui era dotato anche il modello dello scorso anno, il che significa che è possibile connettere più processori fra di loro.

Proprio questa caratteristica è alla base di IBM Quantum Flamingo (qui sopra) e di IBM Quantum Crossbill (il cui nome significa "crociere", che come tutti gli altri nomi in codice dei processori quantistici di IBM è un uccello). Entrambi sono il risultato della connessione di più processori Heron R2, ma la differenza sta proprio nel tipo di connessione: Flamingo usa degli "accoppiatori l", mentre Crosbill usa "accoppiatori m". I primi consentono di collegare due processori quantistici a una distanza massima di un metro tramite dei cavi, mentre i secondi permettono di collegare processori adiacenti come fossero dei moduli.

Di fatto, ciò che entrambi i tipi di connettori fanno è mettere in comunicazione due processori, in maniera non troppo dissimile da quanto avviene con i connettori dei chiplet sui processori AMD Ryzen ed EPYC; la differenza più grande rispetto a tali CPU sta nel fatto che i processori quantistici funzionano poi a tutti gli effetti come un unico processore più grande e potente, anziché come più processori che lavorano in parallelo ma indipendentemente. Crossbill (nella foto sopra a sinistra, a confronto con Condor) offre oltre 1.000 qubit che funzionano come fossero parte di un unico processore, in maniera simile a Condor (che ha 1.121 qubit "monolitici").

IBM sta sviluppando anche un altro tipo di accoppiatori: sono quelli di tipo "c", che permettono di collegare qubit fisicamente sullo stesso chip, ma distanti e quindi non in comunicazione fra di loro. Nel mondo quantistico, infatti, è necessario che due qubit siano direttamente connessi perché possano condividere le informazioni in maniera efficiente; in alternativa è necessario farle passare attraverso altri qubit, con il risultato che aumentano gli errori. I nuovi accoppiatori "c" dovrebbero essere introdotti con i processori Kookaburra (uccelli australiani nella stessa famiglia dei martin pescatori, ma molto più grandi), che dovrebbero arrivare nel 2026.

Non solo hardware: le novità nel software

IBM ha recentemente presentato Qiskit 1.0, la prima versione considerata stabile del suo SDK (software development kit) per sviluppare programmi per i computer quantistici. L'azienda ha annunciato che i miglioramenti che ha apportato al Qiskit Transpiler Service portano a una riduzione del 30% nella profondità dei circuiti generati.

È necessario qui fare un passo indietro: se nel mondo classico è necessario compilare i programmi per passare dai linguaggi ad alto livello al linguaggio macchina, nel mondo quantistico bisogna passare dalla disposizione delle porte logiche pensata dal programmatore a quella che poi è effettivamente possibile realizzare sull'hardware; per questo si parla di "traspilazione" e non di compilazione, perché è come se si scrivesse codice in assembly x86 e ci fosse un traspilatore che ottimizza alcune operazioni sfruttando le varie estensioni dell'ISA (come, ad esempio, le istruzioni delle famiglie SSE o AVX). Il traspilatore del servizio Qiskit riesce, quindi, a ridurre significativamente il numero di porte necessario per eseguire i circuiti desiderati.

IBM ha poi introdotto gli addon per Qiskit che consentono di sviluppare strumenti modulari da aggiungere all'SDK per ottenere funzionalità aggiuntive. Da ultimo, è disponibile Qiskit Code Assistant che aiuta gli sviluppatori a scrivere codice e impiega i modelli IBM Granite come base.