Квантовый компьютер под названием Starling будет использовать 200 логических кубитов, а в 2033 году IBM планирует создать машину с 2000 логическими кубитами
Компания IBM обнародовала свои планы по созданию Starling, первого в мире отказоустойчивого квантового компьютера, к 2029 году. (Изображение предоставлено IBM)
Ученые IBM заявляют, что они устранили самое большое препятствие в квантовых вычислениях и планируют к 2029 году запустить первую в мире крупномасштабную отказоустойчивую машину.
Новое исследование демонстрирует новые методы исправления ошибок, которые, по словам учёных, позволят создать систему в 20 000 раз мощнее любого существующего сегодня квантового компьютера.
В двух новых исследованиях, опубликованных 2 июня и 3 июня на сервере препринтов arXiv, исследователи представили новые методы устранения и исправления ошибок, которые позволяют справляться с этими ошибками и масштабировать оборудование в девять раз эффективнее, чем это было возможно ранее.
Новая система под названием «Старлинг» будет использовать 200 логических кубитов, состоящих примерно из 10 000 физических кубитов. За ней последует машина под названием «Голубой сокол», которая в 2033 году будет использовать 2000 логических кубитов.
В новом исследовании, которое ещё не прошло экспертную оценку, описываются квантовые коды с низкой плотностью проверок на чётность (LDPC) от IBM — новая парадигма отказоустойчивости, которая, по словам исследователей, позволит масштабировать квантовое компьютерное оборудование, преодолев предыдущие ограничения.
«Научная проблема расширенных отказоустойчивых квантовых вычислений решена», — заявил Джей Гамбетта, вице-президент IBM по квантовым операциям, в интервью Live Science. Это означает, что масштабирование квантовых компьютеров теперь является скорее инженерной задачей, чем научным препятствием, добавил Гамбетта.
Хотя квантовые компьютеры существуют уже сегодня, они способны превзойти классические компьютерные системы (те, что используют двоичные вычисления) только при решении специальных задач, разработанных специально для проверки их потенциала.
Одним из самых больших препятствий на пути к квантовому превосходству, или квантовому преимуществу, было масштабирование квантовых вычислительных устройств (QPU).
По мере того как учёные добавляют в процессоры всё больше кубитов, ошибки в вычислениях, выполняемых квантовыми процессорами, накапливаются. Это связано с тем, что кубиты по своей природе «шумные» и ошибки в них возникают чаще, чем в классических битах. По этой причине исследования в этой области в основном сосредоточены на квантовой коррекции ошибок (QEC).
Путь к отказоустойчивости
Исправление ошибок — основополагающая задача для всех вычислительных систем. В классических компьютерах двоичные биты могут случайно переключаться с единицы на ноль и наоборот. Эти ошибки могут накапливаться и приводить к неполноте вычислений или к их полному сбою.
Кубиты, используемые для проведения квантовых вычислений, гораздо более подвержены ошибкам, чем их классические аналоги, из-за дополнительной сложности квантовой механики. В отличие от двоичных битов, кубиты несут дополнительную «фазовую информацию.»
Хотя это позволяет им выполнять вычисления с использованием квантовой информации, это также значительно усложняет задачу исправления ошибок.
Текущая архитектура IBM Heron QPU померкнет в сравнении с потенциалом архитектуры Loon следующего поколения. (Изображение предоставлено: сравнение текущей архитектуры IBM Hex и будущей архитектуры Loom.)
До сих пор учёные не были уверены в том, как масштабировать квантовые компьютеры с нескольких сотен кубитов, используемых в современных моделях, до сотен миллионов, которые теоретически необходимы для их общего применения.
Но разработка LDPC и его успешное применение в существующих системах являются катализатором перемен, считает Гамбетта.
Коды LDPC используют набор проверок для обнаружения и исправления ошибок. Это приводит к тому, что отдельные кубиты участвуют в меньшем количестве проверок, а каждая проверка включает в себя меньше кубитов, чем в предыдущих парадигмах.
Ключевым преимуществом этого подхода является значительно улучшенная «скорость кодирования», то есть соотношение логических кубитов к физическим кубитам, необходимым для их защиты. Используя коды LDPC, IBM стремится значительно сократить количество физических кубитов, необходимых для масштабирования систем.
Новый метод примерно на 90% быстрее устраняет ошибки, чем все предыдущие методы, согласно исследованию IBM. IBM внедрит эту технологию в свою архитектуру Loon QPU, которая является преемницей архитектуры Heron, используемой в современных квантовых компьютерах.
Переход от устранения ошибок к их исправлению
Ожидается, что Starling сможет выполнять 100 миллионов квантовых операций с использованием 200 логических кубитов. Представители IBM заявили, что это примерно эквивалентно 10 000 физических кубитов. Blue Jay теоретически сможет выполнять 1 миллиард квантовых операций с использованием 2000 логических кубитов.
В современных моделях используется около 5000 вентилей (аналогично 5000 квантовым операциям) с 156 логическими кубитами. Переход от 5000 операций к 100 миллионам станет возможен только благодаря таким технологиям, как LDPC, заявили представители IBM в своём заявлении. Другие технологии, в том числе те, которые используют такие компании, как Google, не масштабируются до больших размеров, необходимых для достижения отказоустойчивости, добавили они.
По словам Гамбетты, чтобы в полной мере воспользоваться преимуществами Starling в 2029 году и Blue Jay в 2033 году, IBM нужны алгоритмы и программы, созданные для квантовых компьютеров. Чтобы помочь исследователям подготовиться к будущим системам, IBM недавно выпустила Qiskit 2.0, набор для разработки с открытым исходным кодом для запуска квантовых схем на оборудовании IBM.
«Цель состоит в том, чтобы перейти от устранения ошибок к их исправлению», — Блейк Джонсон, руководитель отдела квантовых вычислений IBM, рассказал Live Science, добавив, что «квантовые вычисления превратились из области, где исследователи изучают квантовое оборудование, в место, где у нас есть доступ к инструментам квантовых вычислений промышленного масштаба».