Самый большой квантовый чип IBM может помочь решить самые сложные математические задачи

Компания выяснила, как разместить в три раза больше кубитов на чипе квантового компьютера. Вот что дальше.

Отредактировано 2023-25-06
новая гибкая проводка в инфраструктуре криогенного квантового компьютераНовая гибкая проводка в квантовом криостате IBM.

Квантовые компьютеры, хотя в их нынешнем виде они хрупки и привередливы, обещают преуспеть в решении определенного круга задач. Например, они должны быть способны решать определенные типы математических задач, связанных с линейной алгеброй, быстрее и точнее, чем классические компьютеры, благодаря причуде в их конструкции.

Классические компьютеры имеют двоичные переключатели, которые представляют информацию как ноль или единицу. Квантовый эквивалент этого, называемый кубитами, может представлять информацию как единицу, ноль или их комбинацию. Это происходит потому, что вместо битов, которые хранят состояния "включено" или "выключено", кубиты хранят формы волн.

В квантовой области исследователи IBM упорно трудятся, обновляя набор аппаратных и программных средств в устройстве, которое призвано решить проблемы, считающиеся трудными или невозможными для лучших классических компьютеров, доступных сегодня.

В мае компания IBM представила амбициозную дорожную карту по созданию более мощных и практичных квантовых вычислений. На саммите IBM на этой неделе компания объявила о контрольных точках, которые она уже достигла, включая недавно завершенный процессор Osprey на 433 кбит и обновленные версии квантового программного обеспечения.

Инженерная фотографияДжерри Чоу и Джей Гамбетта представляют процессор Osprey внутри печатной платы на саммите IBM. Шарлотта Ху

Чтобы эти устройства сохраняли свои квантовые свойства, их необходимо хранить при очень низких температурах с помощью специализированных холодильников и систем охлаждения. Компания IBM поделилась отчетом о ходе работ по сборке различных частей, которые будут составлять инфраструктуру криогенного холодильника к 2023 году, который называется System Two. Она будет отвечать за содержание всего оборудования для квантовых вычислений и поддержание его в стабильном состоянии.

Квантовые чипы IBM названы в честь птиц. Osprey, который почти в три раза больше, чем предыдущий чип с 127 кубитами под названием Eagle, использует многие из тех же технологий и конструкций, например, шестигранную решетчатую структуру на поверхности чипа, которая вмещает все кубиты. Но 400 кубитов - это очень много, поэтому инженеры постоянно экспериментируют с технологиями изготовления или небольшими изменениями в конструкции, чтобы сделать процессоры менее шумными и более эффективными.

"Каждый раз, когда вам нужно спроектировать систему, чтобы она была 3-кратной, есть вещи, которые вступают в игру, чтобы убедиться, что она работает", - говорит Джерри Чоу, директор по разработке квантовых аппаратных систем в IBM Quantum. "В Osprey многое сводится к дальнейшему развитию и масштабированию многоуровневой разводки, которая была характерна для стека Eagle, а также к способам ее оптимизации для того, чтобы упаковать больше кубитов вместе и направить их вместе".

Один из способов сделать это - изменить структурный компонент квантового компьютера: Замена коаксиальных кабелей ручной работы на лентообразные кабели повышенной плотности, называемые гибкой проводкой, уменьшает общий размер (и стоимость). Эти ленты также могут быть сложены в виде лесенки для соединения различных пластин холодильника. Это изменение может увеличить количество сигналов, которые могут быть переданы.

Наряду с новыми процессорами, команда анонсировала новые поколения управляющей электроники, а также усовершенствования старых чипов, таких как Eagle и Falcon.

Одним из показателей, который IBM пытается улучшить во всех своих чипах, является время когерентности кубитов. Время когерентности относится к тому, как долго кубиты остаются в своем волнообразном квантовом состоянии. Кьюбиты могут потерять это свойство при наличии слишком сильных шумовых помех от других кубитов и окружающей среды, что может привести к декогеренции. Это влияет на результаты вычислений. Время когерентности, время, необходимое для выполнения квантовых ворот, и количество доступных кубитов - это факторы, определяющие производительность чипа. Они также устанавливают предел размера проблем, которые может решать определенное устройство.

В настоящее время среднее время когерентности для Osprey составляет около 70-80 микросекунд. Чоу и его коллеги увеличили время когерентности кубитов на более ранних чипах, таких как Eagle и Falcon, в три раза.

"Falcon увеличилась в три раза и составляет примерно 300-400 микросекунд. Eagle, когда мы выпустили его в прошлом году, находился в диапазоне от 90 до 100 микросекунд", - говорит Чоу. "Теперь у нас есть Eagle третьей ревизии, который также может достигать 300 микросекунд времени когерентности".

Вторая ревизия Osprey, которая уже находится в процессе создания, демонстрирует аналогичное улучшение времени когерентности.

IBM еще не предоставила Osprey ни одному клиенту. "Он все еще находится на стадии разработки, определения его характеристик", - говорит Чоу. "У нас, конечно, есть время когерентности и некоторые более фундаментальные аспекты, но мы все еще собираемся работать над созданием полноценной системы в течение следующих нескольких месяцев, что приведет к развертыванию у клиентов в начале следующего года".

Саммит также предоставил возможность продемонстрировать все области применения квантовой технологии, которые партнеры IBM уже нашли, включая использование ее для обнаружения гравитационных волн, поиска мошенничества в данных карточных платежей, расчета погодных рисков для решения проблем хранения энергии и моделирования свойств молекул для разработки новых материалов.