Новая модульная криогенная система IBM объединяет квантовые чипы, чтобы преодолеть основные инфраструктурные препятствия и создать мощную систему к 2029 году.
(Изображение предоставлено IBM)
Компания IBM представила новую модульную сверххолодную систему, предназначенную для объединения сотен квантовых компьютерных чипов в единую сеть, чтобы решить одну из самых серьезных проблем в этой области.
Компания заявляет, что ее новые «квантовые холодильники» позволят ей создать первый в мире отказоустойчивый квантовый компьютер в 2029 году. Эти стабильные системы используют методы квантовой коррекции ошибок, чтобы устранять шумы в режиме реального времени и выполнять квантовые операции без перерывов.
Достижение отказоустойчивости позволит специалистам в области компьютерных наук проводить новые исследования в самых разных областях. Будь то химия, материаловедение или теоретическая физика, исследователи смогут проводить квантовые операции, выходящие далеко за рамки возможностей современных суперкомпьютеров, не беспокоясь о том, что из-за чрезмерного количества ошибок вычисления окажутся бесполезными.
До сих пор одним из самых больших препятствий на пути от современных систем, подверженных ошибкам, к отказоустойчивым сверхпроводящим квантовым компьютерам, способным безупречно выполнять сотни миллионов операций, была инфраструктура. Представители IBM утверждают, что решили эту проблему с помощью модульных взаимосвязанных квантовых холодильников.
Новая криогенная система состоит из отдельных блоков размером 8 футов (2,4 м) в высоту и 8 футов в ширину, с внутренним объемом около 9 кубических футов (0,25 кубического метра).
Он похож на бытовой холодильник и работает по тому же принципу, но может охлаждать до температуры 10 милликельвинов (минус 459,65 градуса по Фаренгейту, или минус 273,14 градуса по Цельсию) — почти до абсолютного нуля, самой холодной из возможных теоретических температур, — что более чем в 180 раз холоднее, чем в открытом космосе.
Такие экстремально низкие температуры необходимы для корректной работы сверхпроводящих квантовых вычислительных устройств (КВУ) IBM, а модульная конструкция позволяет инженерам расширять возможности системы и подключать по одному этапу за раз.
По словам представителей IBM, это достижение означает, что ученые впервые продемонстрировали возможность взаимодействия между квантовыми процессорами в отдельных криогенных модулях.
Модульные квантовые вычисления
Как и их аналоги — классические компьютеры, — сверхпроводящие квантовые компьютеры используют встроенные схемы, или "логические элементы", для выполнения вычислительных операций. Однако инженеры могут разместить на чипе ограниченное количество кубитов, и для корректной работы в архитектуре IBM каждый чип должен быть охлажден до температуры ниже 15 мК (минус 459,64 градуса по Фаренгейту, или минус 273,14 градуса по Цельсию).
Это связано с тем, что кубиты по своей природе подвержены шуму, то есть они гораздо более подвержены ошибкам, чем обычные вычислительные компоненты. Чтобы задействовать квантово-механические свойства сверхпроводящих металлов в кубитах без сбоев в вычислениях, ученые должны свести к минимуму влияние тепла и других раздражителей, таких как электромагнитные волны.
Чтобы достичь таких температур в новых холодильниках, инженеры используют криогенное оборудование сторонних производителей, в котором для охлаждения применяются гелиевые криокомпрессоры в сочетании с коммерческими холодильными машинами. Для обеспечения термозащиты используются герметичные корпуса, прокладки для защиты от электромагнитных помех и многослойные теплозащитные экраны из майлара.
По словам представителей IBM, для достижения температуры около 4 К (минус 452,47 градуса по Фаренгейту, или минус 269,15 градуса по Цельсию) требуется более четырех дней, а вскоре после этого температура опустится ниже 15 мК. Об этом говорится в заявлении.
Для расширения системы за пределы нескольких сотен или тысяч вентилей требуется больше чипов и больше места. Но инженеры не могут просто построить гигантское сверххолодное здание и заполнить его квантовыми процессорами. Для этого потребовалась бы огромная инфраструктура, а сама система была бы ненадежной. Каждый раз, когда инженеру нужно было бы модернизировать систему, устранить аппаратную неисправность или проверить чипы, ему пришлось бы нарушать температурный режим, что могло бы привести к сбоям в работе.
(Изображение предоставлено IBM)
Революционная криогенная система IBM решает эту проблему, предоставляя инженерам специализированные модули, в которых может размещаться ограниченное количество чипов. Ключевое нововведение — возможность объединять модули в сеть для использования совокупной мощности отдельных квантовых процессоров. Это достигается за счет использования «L-образных соединителей» — сверхпроводящих кабелей длиной примерно 1 метр (3,3 фута).
«Обычно, когда мы выполняем квантовые операции с кубитами, мы делаем это на чипе», — объяснил Оливер Дайал, вице-президент IBM по квантовым операциям, на пресс-конференции 18 августа. «Поэтому мы используем внутричиповые соединители, которые работают на очень коротких расстояниях, чтобы создать запутанность и выполнять 2-кубитные операции. L-образные соединители позволяют нам делать то же самое, но с помощью алюминиевого сверхпроводящего кабеля длиной до метра». И это действительно важно для нас, потому что это основа наших модульных конструкций».
Начало новой эры отказоустойчивости
IBM намерена внедрить свою новую модульную криогенную архитектуру в 2027 году. В ближайших системах будут использоваться от двух до трёх ячеек, поддерживающих в общей сложности около 1000 кубитов. Цель состоит в том, чтобы к 2029 году достичь показателя в 100 миллионов вентилей — или 100 миллионов квантовых операций за один сеанс — с выходом на рынок квантового компьютера Starling от IBM.
Но сначала ему нужно будет выполнить вычисления на нескольких модулях. Пока что ученые продемонстрировали только то, что два криогенных модуля можно соединить между собой и одновременно охладить до требуемой рабочей температуры. Они протестировали модули на выполнение простых логических операций с помощью процессора «Фламинго», но пока не проводили с их помощью сложные операции. В ближайшие дни команда планирует установить процессоры текущего поколения «Найтхок».
(Изображение предоставлено IBM)
«Мы досконально изучили научные аспекты отказоустойчивости в вычислениях, и… большая часть того, что мы делаем для достижения этой цели, — это инженерные разработки», — заявил на пресс-конференции Джерри Чоу, технический директор IBM по квантовым суперкомпьютерам. «Речь не идет об одном-единственном прорыве на пути к отказоустойчивости. На самом деле речь идет о тысячах небольших инженерных достижений, которые мы демонстрируем по всей нашей экосистеме — от процессоров до стека программного обеспечения, систем управления, инфраструктуры и системы исправления ошибок.
Лаборатории квантовых вычислений в настоящее время используют другие автономные криогенные системы, и другие системы квантовых вычислений разрабатываются для работы при комнатной температуре, например, те, которые используют фотоны (частицы света) - или даже изготовленные в лаборатории алмазы — в качестве кубитов.
Во время пресс-конференции представители IBM заявили, что «Старлинг» однажды станет первым в мире отказоустойчивым квантовым компьютером. Но добьется ли компания этого, учитывая, что другие компании, работающие в сфере квантовых вычислений, стремятся к тому же, — это уже другой вопрос. Сообщает livescience
.png "Получай новости на почту. Подписаться")