Компания IBM выпустила два новых сложных квантовых процессора, а также новую платформу, которая позволит нам отследить первую демонстрацию квантового преимущества.
По словам учёных, новый процессор Loon от IBM содержит все аппаратные компоненты, необходимые для демонстрации отказоустойчивых квантовых вычислений. (Изображение предоставлено IBM)
Ученые из IBM создали два новых квантовых процессора (QPUs), которые, по их словам, приблизят их к достижению квантового преимущества к следующему году, а к 2029 году — к созданию полностью отказоустойчивого квантового компьютера.
Первый процессор под названием IBM Quantum Nighthawk представляет собой 120-кубитный чип, который может выполнять квантовые вычисления, на 30 % более сложные, чем те, с которыми мог справиться предыдущий квантовый процессор компании (R2 Heron).
Компания также выпустила ещё один процессор, IBM Loon, с 112 кубитами, который, по словам учёных, включает в себя все элементы, необходимые для полной отказоустойчивости — квантовые компьютеры, которые самостоятельно обнаруживают и исправляют все ошибки в режиме реального времени.
Новые квантовые процессоры
Благодаря 218 улучшенным настраиваемым соединителям — компонентам, которые управляют соединениями между отдельными кубитами на чипе, — каждый из 120 кубитов в процессоре Nighthawk может взаимодействовать с четырьмя ближайшими соседями в структуре квадратной решётки. Это на 20 % больше, чем количество соединителей в предыдущем процессоре Heron.
Эта архитектура позволит учёным решать задачи, для которых требуется 5000 двухкубитных вентилей — фундаментальных операций по запутыванию, необходимых для квантовых вычислений.
По словам представителей IBM, компания надеется, что будущие версии Nighthawk смогут обеспечить до 7500 и 10 000 вентилей к концу 2026 и 2027 годов соответственно. Затем, в 2028 году, учёные IBM планируют создать системы на базе Nighthawk с 1000 кубитами, соединёнными с помощью дальнодействующих соединителей, для получения 15 000 двухкубитных вентилей.
IBM Nighthawk — это 120-кубитный чип, который, как надеются учёные, однажды будет использоваться в более крупной системе с более чем 1000 кубитами. (Изображение предоставлено IBM)
Loon — это чип меньшего размера, содержащий всего 112 кубитов, который, по словам учёных из IBM, демонстрирует все аппаратные элементы отказоустойчивых квантовых вычислений. Эти технологии разработаны для решения проблемы чрезвычайно высокой частоты отказов кубитов — области, известной как квантовое исправление ошибок (КИО). КИО — основная причина, по которой квантовые процессоры становятся более сложными, а не просто увеличиваются в размерах за счёт количества кубитов.
Например, в декабре 2023 года учёные из IBM создали массивный 1000-кубитный чип под названием Condor, но его гораздо меньший 127-кубитный аналог Eagle оказался более перспективным с исследовательской точки зрения, поскольку уровень ошибок в нём был в пять раз ниже. То же самое можно сказать о Nighthawk по сравнению с Loon.
Технический директор IBM Quantum Оливер Дайал рассказал Live Science, что учёным нужны новые функции в процессорах для реализации кодов коррекции ошибок и соединительных элементов, которые они планируют использовать в долгосрочной перспективе. Это включает в себя шестисторонние соединения, которые позволяют кубиту соединяться с шестью соседними кубитами, а не с четырьмя, как в последнем QPU. Им также нужно больше уровней маршрутизации на поверхности чипа, более длинные соединительные элементы, а также «гаджеты сброса», которые возвращают кубит в основное состояние из возбуждённого.
«С помощью Loon мы впервые протестировали все эти функции на 112-кубитном устройстве, — сказал Дайал. — Однако для того, чтобы оно функционировало как отказоустойчивая память, каждая из более чем 112 копий этих функций на чипе должна работать безупречно. Мы надеемся на такой результат, но на самом деле на таком сложном устройстве производительность поначалу может быть низкой». Это нужно для того, чтобы мы могли устранить проблемы и подготовиться к Kookaburra в следующем году.
Kookaburra станет ещё одним экспериментальным процессором, выпуск которого ожидается в 2026 году. По словам представителей IBM, это будет первый модульный квантовый процессор, предназначенный для хранения и обработки закодированной информации — объединения логических операций с памятью.
Достижение квантового превосходства и не только
Помимо запуска двух новых квантовых процессоров, IBM создала систему отслеживания квантовых преимуществ. Квантовое преимущество — это когда квантовый компьютер может решать задачи, недоступные классическому суперкомпьютеру.
Демонстрировать квантовое преимущество сложно, потому что классические компьютеры не могут легко проверить или воспроизвести задачи, которые решаются с помощью квантовых систем. Первые три задачи, запущенные в рамках трекера, — это «наблюдаемые оценки», «вариационные задачи» и «задачи, поддающиеся классической проверке».
Исследователь IBM держит 300-миллиметровую пластину IBM Quantum Nighthawk. (Изображение предоставлено IBM)
Компания также представила обновлённую информацию о производстве квантовых процессоров на пластине диаметром 300 мм (12 дюймов). Этот новый формат — большой полупроводниковый диск, отражающий свет всеми цветами радуги, — вдвое сокращает время, необходимое для создания каждого процессора, а также в 10 раз увеличивает физическую сложность квантовых чипов.
Для создания этих пластин длинные цилиндры из кремния разрезают на тонкие диски, а инженеры с помощью программного обеспечения проектируют электрические схемы. Затем автоматизированные машины вытравливают эти схемы на поверхности кремния, наносят новые металлы и обрабатывают пластины, в результате чего на диске образуется прямоугольная сетка из компьютерных чипов. Инженеры изготавливают несколько типов пластин, а затем выполняют дополнительные этапы обработки, после чего пластины укладываются слоями и соединяются в трёхмерный стопку, а также подключаются к управляющей электронике.
Согласно квантовой дорожной карте компании, учёные IBM надеются выпустить свой первый отказоустойчивый чип для квантовых вычислений под названием Starling к 2029 году, а к 2033 году — чудовищный чип Blue Jay с 2000 кубитами.