IBM приближается к созданию отказоустойчивых квантовых вычислений
Новая система позволяет объединять сотни квантовых процессоров в гигантский кластер, открывая путь к созданию крупномасштабных квантовых компьютеров, способных реально изменить ситуацию.
Компания IBM заявила, что это достижение является ключевой вехой на пути к созданию IBM Quantum Starling — новой системы квантовых вычислений, которая в настоящее время находится в разработке и запуск которой запланирован через три года. Предполагается, что Starling сможет выполнять примерно в 20 000 раз больше вычислений, чем существующие сегодня квантовые компьютеры, что сделает её достаточно мощной для достижения заветной цели — «квантового превосходства». Это тот порог, при котором квантовые машины смогут решать сложные реальные задачи, с которыми не справятся существующие классические суперкомпьютеры.
Квантовые компьютеры черпают свою невероятную вычислительную мощность из так называемых «кубитов», которые являются квантовой версией традиционных битов, используемых в классических компьютерах. В классических компьютерах биты могут представлять собой либо единицу, либо ноль, тогда как кубиты могут быть единицей, нулём или и тем и другим одновременно. Это возможно благодаря принципу квантовой механики, известному как суперпозиция, который позволяет квантовым компьютерам обрабатывать огромные объемы многомерных данных с невероятной скоростью.
Проблема в том, что до сих пор никому не удалось создать функциональный квантовый компьютер - по крайней мере, в достаточно больших масштабах, чтобы он мог конкурировать с суперкомпьютером. Это связано с невероятной хрупкостью кубитов. Они восприимчивы практически к любому «шуму», включая такие незначительные вещи, как небольшое понижение температуры, электромагнитные помехи, вибрации, вызванные ходьбой человека по комнате, или даже колебания магнитного поля Земли. При воздействии этого шума кубиты внезапно теряют своё квантовое состояние — процесс, известный как декогеренция, — и большая часть хранимых ими данных теряется, что приводит к ошибкам в квантовых вычислениях.
IBM пытается решить эту проблему с помощью «логических кубитов», поэтому вместо использования одного подверженного ошибкам кубита инженеры объединяют несколько физических кубитов с помощью усовершенствованных кодов коррекции ошибок. Эти объединённые кубиты могут действовать как единый надёжный кубит, имеющий избыточность, которая гарантирует, что квантовые компьютеры смогут правильно обрабатывать вычисления, даже если некоторые из отдельных кубитов выйдут из строя.
Однако такое решение имеет свои проблемы: для создания квантового компьютера, способного обеспечить квантовое преимущество, необходимо, чтобы тысячи кубитов работали в тандеме. Для защиты этих кубитов их необходимо размещать в единых помещениях и охлаждать до экстремальных температур, близких к абсолютному нулю.
Вот почему новые криогенные модули IBM являются таким важным компонентом. Они охлаждаются до температуры ниже 15 милликельвинов, что более чем в 180 раз холоднее, чем в открытом космосе. Они также огромны: первая пара модулей на предприятии IBM в Покипси, штат Нью-Йорк, достигает по высоте и ширине до двух с половиной метров.
В отличие от традиционных цилиндрических криогенных холодильников, новые модули имеют форму прямоугольных ящиков, что позволяет размещать их в плотных рядах. Внутри каждого модуля находится корпус, в 12 раз превышающий размеры существующих систем, что обеспечивает достаточно места для подключения сотен квантовых процессоров, в которых размещаются отдельные кубиты. Процессоры соединены между собой с помощью инновационной технологии IBM L-Coupler, которая объединяет отдельные чипы в кластеры, позволяя им обмениваться информацией и работать как один, гораздо более крупный процессор, подобно тому, как сегодня кластеры графических процессоров взаимодействуют в центрах обработки данных для искусственного интеллекта.
Еще одно преимущество новых криогенных модулей заключается в том, что они упрощают обслуживание и модернизацию отдельных процессоров, не влияя при этом на производительность всего кластера, частью которого они являются.
Директор по исследованиям IBM Джей Гамбетта заявил: «Сегодняшнее объявление — лишь один из нескольких фундаментальных шагов, которые компании необходимо предпринять, прежде чем она сможет запустить свой первый отказоустойчивый квантовый компьютер. Успешное подключение и работа этих криогенных модулей свидетельствуют о прорыве в этом направлении и ускорят наш прогресс наряду с дальнейшими инновациями в квантовом оборудовании, программном обеспечении и алгоритмах».
Сегодняшнее достижение свидетельствует о том, что IBM по-прежнему движется по намеченному плану и планирует запустить систему Starling до конца десятилетия.
