Світові дослідники квантових технологій з корпорації IBM представили два нові квантові процесори, які, за їхніми словами, стануть суттєвим кроком на шляху до досягнення квантової переваги вже наступного року. Кінцева мета – – створення цілковито відмовостійкого квантового комп’ютера до 2029 року. Ці новинки відкривають нові горизонти для обчислювальних можливостей та демонструють невпинне просування галузі вперед.
Нові квантові процесори
Перший з представлених процесорів, названий IBM Quantum Nighthawk, є чипом зі 120 кубітами – – фундаментальними одиницями інформації у квантових обчисленнях, які, на відміну від класичних бітів (0 або 1), можуть існувати в кількох станах одночасно. Цей чип здатний обробляти квантові обчислення, які приблизно на 30% складніші за ті, що могли виконувати попередні процесори компанії, наприклад, R2 Heron. Архітектура Nighthawk дозволяє кожному зі 120 кубітів взаємодіяти з чотирма найближчими “сусідами” у квадратній ґратчастій структурі. Це стало можливим завдяки 218 вдосконаленим настроюваним з’єднувачам – – компонентам, що регулюють зв’язки між окремими кубітами на чипі, що на 20% перевищує кількість з’єднувачів у попередньому процесорі Heron. Така конфігурація дозволить науковцям розв’язувати задачі, що вимагають до 5000 двокубітних вентилів – – основоположних заплутуючих операцій, необхідних для виконання квантових обчислень.
За словами представників IBM, майбутні версії Nighthawk зможуть обробляти до 7500 вентилів до кінця 2026 року і до 10000 вентилів у 2027 році. Амбітні плани компанії також включають створення систем на базі Nighthawk з понад 1000 кубітів, з’єднаних за допомогою довгодіючих з’єднувачів, задля досягнення 15000 двокубітних вентилів у 2028 році. Це відкриває надзвичайно широкі можливості для моделювання складних молекулярних структур, розробки нових матеріалів та прискорення відкриттів у медицині.
Другий процесор, представлений IBM, отримав назву Loom. Це менший чип, що має 112 кубітів, проте він демонструє всі апаратні складові, необхідні для відмовостійких квантових обчислень. Такі технології розроблені для усунення надзвичайно високої частоти збоїв у кубітах – – галузі, відомої як квантова корекція помилок (QEC). Цей аспект є головною причиною, чому квантові процесори стають складнішими, а не просто більшими за кількістю кубітів.
Наприклад, у грудні 2023 року науковці IBM створили великий 1000-кубітний чип Condor, але його набагато менший “родич” Eagle зі 113 кубітами був визнаний більш перспективним з дослідницької точки зору, оскільки його рівень помилок був у п’ять разів нижчим. Аналогічна ситуація спостерігається і з Nighthawk порівняно з Loom – – останній має переваги у стійкості до збоїв.
Олівер Дайал, технічний директор IBM Quantum, розповів Live Science, що для впровадження кодів виправлення помилок та з’єднувачів, які вони планують використовувати у довгостроковій перспективі, знадобилися нові можливості у процесорах. Це включає шестисторонні з’єднання, що дозволяють кубіту взаємодіяти аж із шістьма сусідами, на відміну від чотирьох у новітньому QPU Nighthawk. Також були потрібні додаткові шари маршрутизації на поверхні чипа, довші з’єднувачі та “пристрої скидання” (reset gadgets), які повертають кубіт до основного стану зі збудженого.
“Завдяки Loom ми вперше тестуємо всі ці особливості разом на 112-кубітному пристрої”, – – зазначив Дайал. “Проте для того, щоб він функціонував як відмовостійка пам’ять, кожна з понад 112 копій цих можливостей на чипі повинна працювати надзвичайно ефективно. Хоча це результат, на який ми сподіваємося, реалістично, початковий вихід придатної продукції для такого складного пристрою може бути низьким. Його мета – – дозволити нам виявити та усунути проблеми, а також навчатися напередодні випуску Kookaburra наступного року”.
Kookaburra, очікуваний у 2026 році, стане ще одним демонстраційним процесором. За заявами IBM, це буде перший QPU з модульною конструкцією, призначений для зберігання та обробки закодованої інформації – – поєднання логічних операцій з пам’яттю, що відкриє нові можливості для більш складних квантових алгоритмів.
Досягнення квантової переваги і далі
Окрім випуску двох нових квантових процесорів, IBM запровадила спеціальний “трекер квантової переваги”. Квантова перевага – – це момент, коли квантовий комп’ютер може продемонструвати розв’язання задачі, яка виходить за межі можливостей класичного суперкомп’ютера.
Демонстрація цієї переваги – – непросте завдання, оскільки класичні комп’ютери не можуть легко перевірити чи відтворити проблеми, які розв’язуються квантовими системами. Перші три завдання, запущені в рамках трекера, це “оцінка спостережуваних величин”, “варіаційні задачі” та “класично перевірявані задачі”. Це дозволить чіткіше визначити ті галузі, де квантові технології вже починають перевершувати традиційні.
Компанія також поділилася оновленою інформацією щодо виготовлення квантових процесорів на 300-міліметрових (12-дюймових) пластинах. Цей новий формат, що є великим дископодібним напівпровідником, який відбиває світло всіма кольорами веселки, зменшує вдвічі час, необхідний для створення кожного процесора, а також у десять разів збільшує фізичну складність квантових чипів.
Щоб виготовити ці пластини, довгі кремнієві циліндри нарізають на тонкі диски, а інженери використовують спеціалізоване програмне забезпечення для проєктування електричних схем. Автоматизовані машини потім гравірують ці схеми на поверхні кремнію, наносять нові метали та обробляють пластини, що призводить до отримання прямокутної сітки комп’ютерних чипів на диску. Інженери виготовляють різні типи пластин, а потім виконують додаткові етапи обробки, перш ніж їх шарувати та з’єднувати у тривимірний стек, підключаючи до керуючої електроніки.
Згідно з “квантовою дорожньою картою” IBM, науковці сподіваються представити свій перший відмовостійкий квантовий чип під назвою Starling до 2029 року. А вже до 2033 року планується випустити гігантський 2000-кубітний чип Blue Jay, що обіцяє кардинально змінити світ високопродуктивних обчислень. Ці амбітні плани демонструють не лише технічну майстерність, а й стратегічну візію IBM щодо домінації у цій перспективній технологічній галузі.
