IBM построит первый в мире модульный квантовый компьютер с 200 логическими кубитами и встроенной коррекцией ошибок

Компания IBM обновила план по созданию первого в мире отказоустойчивого квантового компьютера для решения практических задач. Система получила имя Starling (англ. — скворец). Она будет оперировать 200 логическими кубитами. Ввод в строй намечен на 2029 год. Научного барьера для создания этой системы больше нет, теперь предстоит решать обычные инженерные задачи.

Художественное представление квантовой системы IBM «Скворец». Источник изображения: IBM

В настоящий момент готовых аппаратных решений для построения системы Starling нет. Компания IBM будет двигаться к ней поэтапно. Система будет развернута в новом квантовом центре обработки данных IBM в Покипси, штат Нью-Йорк. Ожидается, что она будет выполнять в 20 000 раз больше операций, чем современные квантовые компьютеры. Для моделирования квантовых вычислительных состояний IBM Starling потребовалась бы память, превышающая квиндециллион байт (10⁴⁸), что далеко выходит за пределы возможностей самых мощных суперкомпьютеров в мире.

«IBM прокладывает путь к следующему рубежу в области квантовых вычислений, — заявил Арвинд Кришна (Arvind Krishna), председатель совета директоров и генеральный директор IBM. — Наш опыт в области математики, физики и инженерии открывает путь к созданию крупномасштабного отказоустойчивого квантового компьютера, который решит реальные проблемы и откроет огромные возможности для бизнеса».

Крупномасштабный отказоустойчивый квантовый компьютер с сотнями или тысячами логических кубитов может выполнять от сотен миллионов до миллиардов операций, что ускорит и удешевит процессы в таких областях, как разработка лекарств, поиск материалов, химия и оптимизация. Система «Скворец» сможет выполнять 100 млн квантовых операций с использованием 200 логических кубитов. Это станет основой для следующей системы — «Голубая сойка» (Blue Jay), которая будет способна выполнять 1 млрд квантовых операций с использованием 2000 логических кубитов. «Сойка» появится в 2033 году как развитие «Скворца». Если она станет реальностью, то с традиционным шифрованием, похоже, придётся прощаться навсегда.

Следует напомнить, что для решения проблемы отказоустойчивости на каждый логический кубит, участвующий в вычислениях, должно приходиться 1 млн физических (аппаратных) кубитов. Об этом говорят базовые работы по квантовым вычислениям. За последние несколько лет эти требования были заметно смягчены, но компания IBM пока не готова сообщить, сколько физических кубитов будет задействовано для каждого логического кубита. Тем не менее, это предполагает крайне сложную архитектуру процессоров, чтобы квантовый компьютер в итоге поместился в вычислительный зал, а не занял площадь пары-тройки футбольных полей.

В IBM заявили, что они создали перспективную архитектуру, которая будет способна проводить квантовые расчёты с запутыванием такого огромного числа физических кубитов. В основе архитектуры лежит предложенный компанией код. Без сомнения, успех реализации эффективной отказоустойчивой архитектуры зависит от выбора кода для исправления ошибок, а также от того, как спроектирована и построена система, позволяющая масштабировать этот код.

Само собой, этот код должен быть привязан к архитектуре, что заставит IBM действовать в достаточно жёстких рамках. Основные требования к архитектуре — это устойчивость к сбоям, что позволит подавлять достаточное количество ошибок для успешной работы полезных алгоритмов; способность подготавливать и измерять логические кубиты с помощью вычислений; применимость универсальных инструкций к логическим кубитам; способность декодировать измерения логических кубитов в режиме реального времени и изменять последующие инструкции; модульность для масштабирования до сотен или тысяч логических кубитов для запуска более сложных алгоритмов; а также достаточная эффективность для выполнения значимых алгоритмов с использованием реальных физических ресурсов, таких как энергия и инфраструктура.

В двух новых технических документах компания IBM рассказала, как это будет выглядеть. Во-первых, она представила код qLDPC — квантовые коды с низкой плотностью проверок чётности (по аналогии с классическими LDPC). Этот код значительно сокращает количество физических кубитов, необходимых для исправления ошибок, и уменьшает требуемые накладные расходы примерно на 90 % по сравнению с другими перспективными кодами. Кроме того, в нём описаны ресурсы, необходимые для надёжного запуска крупномасштабных квантовых программ, что доказывает эффективность такой архитектуры по сравнению с другими.

Во второй статье компания рассказала, как эффективно декодировать информацию с физических кубитов, и предложила способ выявления и исправления ошибок в реальном времени с помощью обычных вычислительных ресурсов.

В реальности это будет выглядеть следующим образом. В конце 2025 года IBM представит процессорный модуль Loon (англ. — гагара). Модуль предназначен для тестирования компонентов архитектуры кода qLDPC, включая «C-соединители», которые соединяют кубиты на больших расстояниях внутри одного чипа. Об усложнении архитектуры и связей внутри многослойного чипа даёт представление изображение выше, где сравниваются современный квантовый процессор IBM Heron и Loon.

В 2026 году компания представит первый модульный процессор Kookaburra (кукабара), предназначенный для хранения и обработки закодированной информации. Он объединит квантовую память с логическими операциями и станет базовым строительным блоком для масштабирования отказоустойчивых систем за пределы одного чипа.

В 2027 году IBM выпустит процессорный модуль Cockatoo (какаду). Он объединит два модуля Kookaburra с помощью «L-образных соединений». Эта архитектура позволит связывать квантовые чипы, как узлы в более крупной системе, без необходимости создавать непрактично большие чипы. Система «Скворец» будет построена на объединении модулей «Какаду» в единую платформу. Платформа предполагает криогенное охлаждение базовых компонентов примерно до 4 кельвина (-269,15 °C). Для интеграции с обычными вычислительными средствами связующую электронику также придётся охлаждать до таких температур. Впрочем, система не будет размещаться вся в холодильнике, только вычислительные узлы.

Компания IBM сделала заявку, способную перевернуть мир вычислений. Насколько она сможет воплотить это в жизнь — пока открытый вопрос.