IBM намітила курс на створення першого у світі великомасштабного відмовостійкого квантового комп'ютера

Компанія IBM представила свій план по створенню першого в світі великомасштабного відмовостійкого квантового комп'ютера, який стане основою для практичного і масштабованого квантового обчислення.

IBM Quantum Starling буде побудований до 2029 року в новому дата-центрі IBM Quantum в Покіпсі, штат Нью-Йорк, і, як очікується, буде виконувати в 20000 разів більше операцій, ніж сучасні квантові комп'ютери. Для представлення обчислювального стану IBM Starling буде потрібна пам'ять, що більш ніж в 1048 разів перевищує потужність найпотужніших суперкомп'ютерів у світі. За допомогою Starling користувачі зможуть повною мірою досліджувати складність його квантових станів, які виходять за межі обмежених властивостей, доступних для сучасних квантових комп'ютерів.

«IBM відкриває нові горизонти в області квантових обчислень», — сказав Арвінд Крішна (Arvind Krishna), голова і генеральний директор IBM. «Наш досвід в області математики, фізики та інженерії прокладає шлях до створення великомасштабного відмовостійкого квантового комп'ютера, який буде вирішувати реальні проблеми і відкривати величезні можливості для бізнесу».

Великомасштабний відмовостійкий квантовий комп'ютер із сотнями або тисячами логічних кубітів може виконувати від сотень мільйонів до мільярдів операцій, що може прискорити роботу і знизити витрати в таких областях, як розробка ліків, відкриття нових матеріалів, хімія та оптимізація.

Starling зможе отримати доступ до обчислювальної потужності, необхідної для вирішення цих завдань, виконуючи 100 млн квантових операцій з використанням 200 логічних кубітів. Він стане основою для IBM Quantum Blue Jay, який буде здатний виконувати 1 млрд квантових операцій над 2000 логічними кубітами.

Логічний кубіт — це одиниця квантового комп'ютера з виправленням помилок, призначена для зберігання квантової інформації, що дорівнює одному кубіту. Він складається з декількох фізичних кубітів, які працюють разом, щоб зберігати цю інформацію і контролювати один одного на наявність помилок.

Як і класичні комп'ютери, квантові комп'ютери потребують виправлення помилок, щоб виконувати великі робочі навантаження без збоїв. Для цього використовуються кластери фізичних кубітів, щоб створити меншу кількість логічних кубітів з більш низькою частотою помилок, ніж у базових фізичних кубітів. Частота помилок логічних кубітів знижується експоненціально зі збільшенням розміру кластера, що дозволяє їм виконувати більшу кількість операцій.

Створення все більшої кількості логічних кубітів, здатних виконувати квантові схеми, з мінімальною кількістю фізичних кубітів, має вирішальне значення для квантових обчислень у великих масштабах. До сьогоднішнього дня не було опубліковано чіткого шляху до створення такої відмовостійкої системи без нереалістичних інженерних витрат.

Успіх реалізації ефективної відмовостійкої архітектури залежить від вибору коду виправлення помилок і від того, як система спроектована і побудована, щоб забезпечити масштабованість цього коду.

Альтернативні і попередні золоті стандарти кодів виправлення помилок представляють собою фундаментальні інженерні проблеми. Для масштабування їм знадобилася б нереальна кількість фізичних кубітів, щоб створити достатню кількість логічних кубітів для виконання складних операцій, що вимагало б непрактичної кількості інфраструктури та електроніки, що керує. Це робить їх реалізацію малоймовірною за межами невеликих експериментів і пристроїв.

Практичний, великомасштабний, відмовостійкий квантовий комп'ютер вимагає архітектури, яка:

- Відмовостійка, щоб придушувати достатню кількість помилок для успішного виконання корисних алгоритмів.

- Здатна готувати і вимірювати логічні кубіти за допомогою обчислень.

- Здатна застосовувати універсальні інструкції до цих логічних кубітів.

- Здатна декодувати вимірювання логічних кубітів в режимі реального часу і змінювати наступні інструкції.

- Модульна, щоб масштабуватися до сотень або тисяч логічних кубітів для запуску більш складних алгоритмів.

- Досить ефективна, щоб виконувати значущі алгоритми з реалістичними фізичними ресурсами, такими як енергія та інфраструктура.

IBM також представила дві нові технічні статті, в яких детально описується, як компанія збирається вирішити вищевказані завдання для побудови великомасштабної відмовостійкої архітектури.

У першому документі розкривається, як така система буде обробляти інструкції та ефективно виконувати операції за допомогою кодів qLDPC. Ця робота базується на революційному підході до виправлення помилок, представленому на обкладинці журналу Nature, в якому були представлені коди квантової перевірки парності низької щільності (qLDPC). Цей код значно скорочує кількість фізичних кубітів, необхідних для виправлення помилок, і знижує необхідні накладні витрати приблизно на 90% в порівнянні з іншими провідними кодами. Крім того, в ній викладаються ресурси, необхідні для надійного виконання великомасштабних квантових програм, щоб довести ефективність такої архітектури в порівнянні з іншими.

У другій статті описується, як ефективно декодувати інформацію з фізичних кубітів, і намічається шлях до виявлення та виправлення помилок у режимі реального часу за допомогою звичайних обчислювальних ресурсів.

У новій дорожній карті IBM Quantum викладені ключові технологічні віхи, які продемонструють і реалізують критерії відмовостійкості. Кожен новий процесор в дорожній карті вирішує конкретні завдання по створенню модульних і масштабованих квантових комп'ютерів, що коригують помилки:

- IBM Quantum Loon, очікуваний у 2025 році, призначений для тестування компонентів архітектури для коду qLDPC, включаючи «C-з'єднувачі», які з'єднують кубіти на великих відстанях в межах одного чіпа.

- IBM Quantum Kookaburra, очікуваний у 2026 році, стане першим модульним процесором IBM, призначеним для зберігання та обробки закодованої інформації. Він поєднуватиме в собі квантову пам'ять з логічними операціями — основним будівельним блоком для масштабування відмовостійких систем за межі одного чіпа.

- IBM Quantum Cockatoo, очікуваний у 2027 році, буде пов'язувати два модулі Kookaburra за допомогою «L-з'єднувачів». Ця архітектура буде пов'язувати квантові чіпи між собою, як вузли в більшій системі, що дозволить уникнути необхідності створювати непрактично великі чіпи.