- 29,292
- 46
- 8 Ноя 2022
До абсолютного нуля и 10 тысяч кубитов остался волосок.
<div class="articl-text-cover" style="position:relative;width:100%;max-width:800px;margin-left:auto;margin-right:auto;aspect-ratio:1200/676;margin-bottom:2rem;overflow:hidden">
<div itemprop="articleBody">Будущему квантовому компьютеру IBM понадобится около 10 тысяч физических кубитов, но разместить все процессоры в одном гигантском холодильнике компания не собирается. Инженеры предложили разделить машину на отдельные криогенные модули и связать их между собой. Первые два блока уже удалось соединить и одновременно охладить почти до абсолютного нуля. Архитектура должна лечь в основу отказоустойчивого квантового компьютера Starling, запуск которого IBM планирует на 2029 год.
Каждый криогенный модуль достигает примерно 2,4 метра в высоту и столько же в ширину. Внутренний полезный объём составляет около 0,25 кубометра. Установка охлаждает квантовые процессоры примерно до 10 милликельвинов, или минус 273,14 °C. До абсолютного нуля при такой температуре остаются сотые доли кельвина. Глубокий космос значительно теплее: его среднюю температуру обычно оценивают примерно в 2,7 кельвина.
Экстремальный холод нужен сверхпроводящим кубитам IBM для нормальной работы. Кубиты очень чувствительны к окружающей среде. Тепло, электромагнитные поля и другие помехи нарушают квантовые состояния и увеличивают число ошибок. При температуре ниже примерно 15 милликельвинов инженеры могут использовать квантовые свойства сверхпроводящих материалов и достаточно точно управлять кубитами.
Квантовый процессор выполняет вычисления с помощью квантовых логических вентилей. Отдельная операция меняет состояние одного или нескольких кубитов, а двухкубитные вентили позволяют создавать между ними квантовую запутанность. Последовательности таких операций образуют квантовую схему, которая и выполняет нужное вычисление.
Количество кубитов и соединений на одном чипе ограничено. Поэтому для дальнейшего роста квантовых компьютеров недостаточно выпускать процессоры всё большего размера. Инженерам приходится объединять несколько чипов и добиваться того, чтобы распределённая система выполняла общую квантовую программу.
Проблему дополнительно усложняют ошибки. Физический кубит слишком нестабилен, чтобы на нём без дополнительной защиты выполнять длинные вычисления. Коррекция квантовых ошибок объединяет множество физических кубитов в логические кубиты и позволяет обнаруживать ошибки во время работы системы. При достаточно низком уровне ошибок компьютер сможет выполнять длинные цепочки операций без накопления искажений, которые в современных квантовых машинах постепенно делают результат бесполезным.
Именно отказоустойчивые вычисления IBM хочет получить в Starling. Такая архитектура рассчитана на задачи, для которых нынешние квантовые процессоры слишком шумные. Среди возможных областей применения компания называет квантовую химию, материаловедение и теоретическую физику. В некоторых задачах приходится моделировать взаимодействие большого числа квантовых частиц, а объём необходимых классических вычислений очень быстро растёт по мере усложнения системы.
Рост числа квантовых процессоров упирается в размеры холодильной установки. Один огромный криостат теоретически мог бы вместить множество чипов, но вместе с вычислительной частью пришлось бы увеличивать объём системы охлаждения, экранирования, кабелей и управляющего оборудования. Обслуживать такую машину тоже было бы трудно. Замена процессора, поиск аппаратной неисправности или модернизация отдельного узла могли бы потребовать вмешательства во всю криогенную систему и нарушения рабочего температурного режима.
IBM решила разделить оборудование на самостоятельные криогенные ячейки. В каждом модуле помещается ограниченное число процессоров, а новые секции можно добавлять по мере расширения компьютера. Такая схема позволяет увеличивать систему постепенно и не проектировать новый огромный холодильник при каждом следующем поколении оборудования.
Главная сложность заключается в передаче квантовых операций между отдельными модулями. Внутри процессора кубиты соединяют короткие элементы связи. Через них инженеры создают запутанность и выполняют двухкубитные операции. Между разными холодильниками расстояние намного больше, поэтому внутрикристальные соединения использовать невозможно.
Для межмодульной связи IBM применяет L-couplers, сверхпроводящие соединители с алюминиевым кабелем длиной примерно до одного метра. Кабель должен передавать квантовое взаимодействие между процессорами, расположенными в разных криогенных секциях. В конечном счёте несколько холодильников должны работать как части одной квантовой машины, а не как независимые компьютеры.
Пока инженеры подтвердили только начальный этап такой схемы. Два отдельных криогенных модуля удалось соединить и одновременно довести до рабочих температур. В системе также проверили простые квантовые логические операции с процессором Flamingo. Сложные вычисления, требующие совместной работы процессоров из разных модулей, IBM пока не показала.
Следующим этапом компания планирует установить в систему процессоры поколения Nighthawk и проверить более сложные режимы работы. Главная задача заключается в том, чтобы научиться выполнять квантовые операции через границу между холодильниками с достаточно низким уровнем ошибок. Без этого соединение нескольких охлаждённых модулей само по себе не позволит построить единый большой квантовый компьютер.
Подготовка каждого холодильника к работе занимает несколько дней. Более четырёх суток требуется, чтобы температура опустилась примерно до 4 кельвинов, или минус 269,15 °C. После этого система продолжает охлаждение до уровня ниже 15 милликельвинов.
Для получения столь низких температур используются гелиевые криокомпрессоры и промышленные рефрижераторы растворения. Такие холодильные машины используют смесь изотопов гелия и позволяют охлаждать экспериментальное оборудование до тысячных долей кельвина.
Одного охлаждения недостаточно. Квантовый процессор приходится изолировать от тепла и электромагнитных помех окружающей среды. В криогенных модулях IBM используются вакуумные оболочки, электромагнитные уплотнения и многослойные теплоизоляционные экраны из майлара. Каждая ступень снижает количество энергии, способной добраться до чувствительных кубитов.
IBM собирается начать использовать модульную криогенную архитектуру в 2027 году. Первые конфигурации должны включать две или три ячейки и поддерживать в общей сложности около 1000 физических кубитов. После отработки межмодульных операций компания сможет увеличивать количество секций и процессоров.
Следующая крупная цель назначена на 2029 год. Квантовый компьютер Starling должен получить около 10 тысяч физических кубитов. Коррекция ошибок объединит их примерно в 200 логических кубитов. Разница показывает, сколько аппаратных ресурсов требуется для защиты полезной квантовой информации от ошибок.
IBM рассчитывает, что Starling сможет выполнять квантовые схемы длиной до 100 миллионов логических операций за один сеанс. Для современной квантовой техники столь длинные вычисления недоступны: ошибки постепенно накапливаются и разрушают результат задолго до завершения программы.
До Starling инженерам ещё предстоит решить несколько связанных задач. Компания должна продемонстрировать надёжные квантовые операции между процессорами в разных холодильниках, увеличить число модулей, сохранить низкую частоту ошибок при масштабировании и объединить аппаратную часть с полноценной коррекцией ошибок. Отдельно потребуется синхронизировать управляющую электронику, программное обеспечение и криогенную инфраструктуру.
Сверхнизкие температуры нужны не всем квантовым компьютерам. Разработчики других архитектур используют фотоны, ионы, нейтральные атомы и дефекты кристаллической решётки алмазов. Некоторые экспериментальные системы могут работать при значительно более высокой температуре, вплоть до комнатной. IBM развивает сверхпроводящие кубиты, поэтому мощная криогенная система остаётся обязательной частью её квантовых компьютеров.
Компания называет Starling претендентом на звание первого крупного отказоустойчивого квантового компьютера, однако аналогичные системы разрабатывают и другие участники отрасли. Ближайшая практическая проверка архитектуры IBM состоится раньше 2029 года: инженерам предстоит заставить процессоры из разных криогенных модулей выполнять общие квантовые операции с точностью, достаточной для дальнейшего масштабирования.
<div class="articl-text-cover" style="position:relative;width:100%;max-width:800px;margin-left:auto;margin-right:auto;aspect-ratio:1200/676;margin-bottom:2rem;overflow:hidden">
<div itemprop="articleBody">Будущему квантовому компьютеру IBM понадобится около 10 тысяч физических кубитов, но разместить все процессоры в одном гигантском холодильнике компания не собирается. Инженеры предложили разделить машину на отдельные криогенные модули и связать их между собой. Первые два блока уже удалось соединить и одновременно охладить почти до абсолютного нуля. Архитектура должна лечь в основу отказоустойчивого квантового компьютера Starling, запуск которого IBM планирует на 2029 год.
Каждый криогенный модуль достигает примерно 2,4 метра в высоту и столько же в ширину. Внутренний полезный объём составляет около 0,25 кубометра. Установка охлаждает квантовые процессоры примерно до 10 милликельвинов, или минус 273,14 °C. До абсолютного нуля при такой температуре остаются сотые доли кельвина. Глубокий космос значительно теплее: его среднюю температуру обычно оценивают примерно в 2,7 кельвина.
Экстремальный холод нужен сверхпроводящим кубитам IBM для нормальной работы. Кубиты очень чувствительны к окружающей среде. Тепло, электромагнитные поля и другие помехи нарушают квантовые состояния и увеличивают число ошибок. При температуре ниже примерно 15 милликельвинов инженеры могут использовать квантовые свойства сверхпроводящих материалов и достаточно точно управлять кубитами.
Квантовый процессор выполняет вычисления с помощью квантовых логических вентилей. Отдельная операция меняет состояние одного или нескольких кубитов, а двухкубитные вентили позволяют создавать между ними квантовую запутанность. Последовательности таких операций образуют квантовую схему, которая и выполняет нужное вычисление.
Количество кубитов и соединений на одном чипе ограничено. Поэтому для дальнейшего роста квантовых компьютеров недостаточно выпускать процессоры всё большего размера. Инженерам приходится объединять несколько чипов и добиваться того, чтобы распределённая система выполняла общую квантовую программу.
Проблему дополнительно усложняют ошибки. Физический кубит слишком нестабилен, чтобы на нём без дополнительной защиты выполнять длинные вычисления. Коррекция квантовых ошибок объединяет множество физических кубитов в логические кубиты и позволяет обнаруживать ошибки во время работы системы. При достаточно низком уровне ошибок компьютер сможет выполнять длинные цепочки операций без накопления искажений, которые в современных квантовых машинах постепенно делают результат бесполезным.
Именно отказоустойчивые вычисления IBM хочет получить в Starling. Такая архитектура рассчитана на задачи, для которых нынешние квантовые процессоры слишком шумные. Среди возможных областей применения компания называет квантовую химию, материаловедение и теоретическую физику. В некоторых задачах приходится моделировать взаимодействие большого числа квантовых частиц, а объём необходимых классических вычислений очень быстро растёт по мере усложнения системы.
Рост числа квантовых процессоров упирается в размеры холодильной установки. Один огромный криостат теоретически мог бы вместить множество чипов, но вместе с вычислительной частью пришлось бы увеличивать объём системы охлаждения, экранирования, кабелей и управляющего оборудования. Обслуживать такую машину тоже было бы трудно. Замена процессора, поиск аппаратной неисправности или модернизация отдельного узла могли бы потребовать вмешательства во всю криогенную систему и нарушения рабочего температурного режима.
IBM решила разделить оборудование на самостоятельные криогенные ячейки. В каждом модуле помещается ограниченное число процессоров, а новые секции можно добавлять по мере расширения компьютера. Такая схема позволяет увеличивать систему постепенно и не проектировать новый огромный холодильник при каждом следующем поколении оборудования.
Главная сложность заключается в передаче квантовых операций между отдельными модулями. Внутри процессора кубиты соединяют короткие элементы связи. Через них инженеры создают запутанность и выполняют двухкубитные операции. Между разными холодильниками расстояние намного больше, поэтому внутрикристальные соединения использовать невозможно.
Для межмодульной связи IBM применяет L-couplers, сверхпроводящие соединители с алюминиевым кабелем длиной примерно до одного метра. Кабель должен передавать квантовое взаимодействие между процессорами, расположенными в разных криогенных секциях. В конечном счёте несколько холодильников должны работать как части одной квантовой машины, а не как независимые компьютеры.
Пока инженеры подтвердили только начальный этап такой схемы. Два отдельных криогенных модуля удалось соединить и одновременно довести до рабочих температур. В системе также проверили простые квантовые логические операции с процессором Flamingo. Сложные вычисления, требующие совместной работы процессоров из разных модулей, IBM пока не показала.
Следующим этапом компания планирует установить в систему процессоры поколения Nighthawk и проверить более сложные режимы работы. Главная задача заключается в том, чтобы научиться выполнять квантовые операции через границу между холодильниками с достаточно низким уровнем ошибок. Без этого соединение нескольких охлаждённых модулей само по себе не позволит построить единый большой квантовый компьютер.
Подготовка каждого холодильника к работе занимает несколько дней. Более четырёх суток требуется, чтобы температура опустилась примерно до 4 кельвинов, или минус 269,15 °C. После этого система продолжает охлаждение до уровня ниже 15 милликельвинов.
Для получения столь низких температур используются гелиевые криокомпрессоры и промышленные рефрижераторы растворения. Такие холодильные машины используют смесь изотопов гелия и позволяют охлаждать экспериментальное оборудование до тысячных долей кельвина.
Одного охлаждения недостаточно. Квантовый процессор приходится изолировать от тепла и электромагнитных помех окружающей среды. В криогенных модулях IBM используются вакуумные оболочки, электромагнитные уплотнения и многослойные теплоизоляционные экраны из майлара. Каждая ступень снижает количество энергии, способной добраться до чувствительных кубитов.
IBM собирается начать использовать модульную криогенную архитектуру в 2027 году. Первые конфигурации должны включать две или три ячейки и поддерживать в общей сложности около 1000 физических кубитов. После отработки межмодульных операций компания сможет увеличивать количество секций и процессоров.
Следующая крупная цель назначена на 2029 год. Квантовый компьютер Starling должен получить около 10 тысяч физических кубитов. Коррекция ошибок объединит их примерно в 200 логических кубитов. Разница показывает, сколько аппаратных ресурсов требуется для защиты полезной квантовой информации от ошибок.
IBM рассчитывает, что Starling сможет выполнять квантовые схемы длиной до 100 миллионов логических операций за один сеанс. Для современной квантовой техники столь длинные вычисления недоступны: ошибки постепенно накапливаются и разрушают результат задолго до завершения программы.
До Starling инженерам ещё предстоит решить несколько связанных задач. Компания должна продемонстрировать надёжные квантовые операции между процессорами в разных холодильниках, увеличить число модулей, сохранить низкую частоту ошибок при масштабировании и объединить аппаратную часть с полноценной коррекцией ошибок. Отдельно потребуется синхронизировать управляющую электронику, программное обеспечение и криогенную инфраструктуру.
Сверхнизкие температуры нужны не всем квантовым компьютерам. Разработчики других архитектур используют фотоны, ионы, нейтральные атомы и дефекты кристаллической решётки алмазов. Некоторые экспериментальные системы могут работать при значительно более высокой температуре, вплоть до комнатной. IBM развивает сверхпроводящие кубиты, поэтому мощная криогенная система остаётся обязательной частью её квантовых компьютеров.
Компания называет Starling претендентом на звание первого крупного отказоустойчивого квантового компьютера, однако аналогичные системы разрабатывают и другие участники отрасли. Ближайшая практическая проверка архитектуры IBM состоится раньше 2029 года: инженерам предстоит заставить процессоры из разных криогенных модулей выполнять общие квантовые операции с точностью, достаточной для дальнейшего масштабирования.
- Источник новости
- www.securitylab.ru
