В фотографиях: Путешествие к центру квантового компьютера

Фантастическое путешествие в холодную внутреннюю работу мистической современной машины.

Отредактировано 2023-07-08
холодильник для разбавления квантового компьютераIBM приглашает PopSci в мир квантовых компьютеров.

Сердце квантового компьютера IBM - это чип размером не больше четверти. Эти экстравагантные машины обещают решить сложные проблемы, которые ставят в тупик лучшие классические компьютеры. Сам чип - это лишь одна часть большой головоломки. В отличие от портативных ноутбуков, которыми люди пользуются в повседневной жизни, вычислительная инфраструктура, поддерживающая работу квантового чипа, сложена как русская матрешка, с запутанными взаимосвязями внутри конструкции, напоминающей конструкцию Руба-Гольдберга.

Однако, даже несмотря на сложную конструкцию и умопомрачительный дизайн, квантовый компьютер все равно остается машиной, выполняющей операции с помощью аппаратного и программного обеспечения. Некоторые из этих действий похожи на те, которые выполняют классические компьютеры. Любопытно понять, как они функционируют? Popular Science удалось заглянуть в квантовый центр в кампусе IBM в Йорктаун-Хайтс, Нью-Йорк. Посмотрите поближе на то, что происходит внутри - начиная с того, что называется кубитом (подробнее о том, что это такое, мы расскажем чуть позже) и увеличивая масштаб, бит за битом.

Это холодно

Чтобы проявить квантовые свойства, объекты должны быть либо очень маленькими, либо очень холодными. Для IBM эта многослойная структура, похожая на люстру, которая выглядит как перевернутый золотой свадебный торт в стиле стимпанк, называется холодильником разбавления. Он поддерживает охлаждение и стабильность кубитов и является инфраструктурой, которую компания создала для этого 50-кубитного чипа. Он содержит несколько пластин, которые становятся все холоднее, чем ближе к земле. Каждая пластина имеет разную температуру, а самый верхний слой находится при комнатной температуре.

Инженерная фотографияХолодильник для разбавления. Шарлотта Ху

Квантовый процессор установлен на самой нижней и самой холодной пластине разбавительного холодильника, температура которого достигает 10-15 милликельвинов, что примерно равно -460 градусам по Цельсию. Первый этап охлаждения включает в себя большие медные трубы, которые, как видно из верхнего слоя, соединены с холодными головками как частью замкнутого цикла гелиевого криокулера. Еще больше трубок, подающих воздух на нижние уровни, вводят еще один замкнутый цикл криогенного материала, состоящего из смеси изотопов гелия.

Инженерная фотографияКвантовый процессор внутри люстры. Шарлотта Ху

В задней части конструкции корпуса находятся скрытые вспомогательные инфраструктуры для люстры. Сюда входит система обработки газа, поддерживающая криогенную инфраструктуру, а также насосы и мониторы температуры. А также классическая управляющая электроника, изготовленная на заказ. Когда пользователи запускают программу через квантовый облачный сервис IBM, они эффективно управляют набором затворов и их цепями. Они превращаются в микроволновые импульсы, которые соответствующим образом упорядочиваются, выравниваются и распространяются в системе для управления кубитами. А импульсы считывания получают состояния кубитов, которые переводятся обратно в двоичные значения и возвращаются пользователям.

Инженерная фотографияУправляющая электроника, стоящая за квантовым компьютером. Шарлотта Ху

Кубиты и "искусственный атом

Классические компьютеры представляют информацию с помощью двоичных битов "один-ноль". В случае квантовых, информация представлена через кубиты, которые могут иметь комбинацию нуля и единицы. Это явление называется суперпозицией. "В реальном мире суперпозиция существует постоянно. Например, музыка - это суперпозиция частот, - говорит Заира Назарио, технический руководитель отдела теории, алгоритмов и приложений в IBM Quantum. Поскольку это форма волны, она имеет амплитуду, равную нулю и единице. Это означает, что она сопровождается фазой, и, как все волны, они могут интерферировать друг с другом".

Инженерная фотографияИнфографика о системе System One от IBM. Шарлотта Ху

Сверхпроводящие кубиты находятся на чипе и упакованы в нечто похожее на печатную плату. Провода и коаксиальные кабели для входных и выходных сигналов выступают за пределы печатной платы. В новых моделях чипов с более высокими квитами компания IBM работает над более компактными решениями с использованием проводов и интегрированных компонентов для более эффективного использования пространства. Меньше беспорядка означает, что компоненты будет легче охлаждать. В настоящее время для полного охлаждения квантового компьютера до нужной температуры требуется около 48 часов.

Инженерная фотографияУстановка щитов на пластины. IBM

Чтобы квантовый компьютер работал правильно, каждая из пластин должна быть термически экранирована и изолирована, чтобы на нее не воздействовало излучение черного тела. Инженеры герметизируют все устройство в вакууме, чтобы предотвратить попадание нежелательных фотонов, а также других электромагнитных излучений и магнитных полей.

Инженерная фотографияКонтейнер, внутри которого находится холодильник для разбавления. Шарлотта Ху

Кубиты управляются с помощью микроволновых сигналов в диапазоне от 4 до 7 гигагерц. Классическая электроника генерирует микроволновые импульсы, которые по кабелям подают входные сигналы на микросхему и передают выходные сигналы обратно. По мере того как сигнал проходит по люстре, он проходит через такие компоненты, как фильтры, аттенюаторы и усилители.

Инженерная фотографияВерхний слой люстры. Шарлотта Ху

IBM работает в основном со сверхпроводящими кубитами. Это маленькие кусочки металла, которые располагаются на пластине, используемой для изготовления чипа. Металл состоит из сверхпроводящих материалов, таких как ниобий, алюминий и тантал. Джозефсоновский переход, созданный путем прокладки очень тонкого изолятора между двумя сверхпроводящими материалами, обеспечивает важный нелинейный элемент, необходимый для превращения сверхпроводящей цепи в кубиты.

"То, что мы строим, - это квантовые примеры осцилляторов", - говорит Джерри Чоу, директор по квантовой инфраструктуре в IBM. Осцилляторы преобразуют постоянный ток от источника энергии (в данном случае микроволновые фотоны) в переменный ток, или волну.

В отличие от обычных гармонических осцилляторов, нелинейный осциллятор дает неравный интервал между энергетическими уровнями, говорит Чоу. "Когда у вас это есть, вы можете выделить два самых низких уровня, которые будут действовать как квантовый ноль и квантовый один".

Подумайте об атоме водорода. С точки зрения физики, он имеет набор энергетических уровней. Свет нужной длины волны, попадающий на этот атом, может перевести его в различные состояния. Когда микроволны попадают на кубит, он делает нечто подобное. "По сути, у вас есть искусственный атом", - объясняет Чоу. "У нас есть квант энергии, который мы перемещаем, подавая нужное количество микроволнового фотона в определенном импульсе определенной длительности, чтобы либо возбудить, либо де-возбудить квант энергии в этом нелинейном микроволновом осцилляторе".

В классическом компьютере есть включенное состояние (единица) и выключенное состояние (ноль). Для квантового компьютера выключенное состояние - это основное состояние искусственного атома. Добавление импульса определенного микроволнового фотона энергии возбуждает его, повышая его до единицы. При повторном воздействии этого импульса на кбит он возвращается в исходное состояние. Допустим, для полного перехода кубита в возбужденное состояние требуется 5 гигагерц в течение 20 наносекунд. Если бы вы уменьшили количество энергии вдвое или вдвое сократили время, вы бы фактически привели в состояние суперпозиции, говорит Чоу. Это означает, что если вы будете измерять состояние кубита с помощью резонатора, у вас будет 50-процентная вероятность того, что он находится в нулевом состоянии, и 50-процентная вероятность того, что он находится в единице.

Инженерная фотографияIBM

Пользователи могут играть с элементами схемы, частотой импульсов, длительностью и энергией между различными кубитами, чтобы соединить их, поменять местами или выполнить условные операции, такие как создание запутанных состояний и объединение операций с одним кубитом для выполнения универсальных вычислений во всем устройстве. Когда волны пересекаются, это может либо усилить, либо деконструировать сообщение.

Инженерная фотографияIBM

Для чего нужны кубиты?

Практическое применение квантовых компьютеров развивалось в течение последних нескольких лет. "Если я посмотрю на то, что люди делали с системой в 2016, 2017, 2018 годах, то это было использование квантов для исследования квантов... физики конденсированных сред, физики частиц и тому подобных вещей", - говорит Кэти Пиццолато, директор по стратегии и прикладным исследованиям в IBM Quantum. "Ключевой частью этого будет взятие классических ресурсов и превращение их в квантово-ориентированные. Мы должны сделать так, чтобы люди, которые являются экспертами в своей области, понимали, где можно применить квант, но не были экспертами по квантам".

Интерес, который проявляет IBM к квантовым проблемам, поставленным перед их машинами, можно разделить на три группы: химия и материалы, машинное обучение и оптимизация (поиск наилучшего решения проблемы из множества возможных вариантов). Главное - использовать квантовый компьютер не в каждой части задачи, а в самых трудных.

Команда IBM постоянно ищет реальные проблемы, которые классическим компьютерам трудно решить из-за их структуры или математики, с которой они связаны. И есть много интересных мест для их поиска.

Классические компьютеры решают основные математические задачи с помощью двоичной логики и таких компонентов схемы, как сумматоры. Однако квантовые компьютеры действительно отлично справляются с линейной алгеброй - умножением матриц и представлением векторов в пространстве. Это связано с уникальными особенностями их конструкции. Это позволяет им относительно легко выполнять такие функции, как факторизация - задача, которая чрезвычайно сложна для классического компьютера из-за экспоненциально растущего числа переменных и параметров и взаимодействия между ними. "В этой задаче факторизации есть структуры, которые позволяют вам воспользоваться преимуществами запутывания, всеми теми вещами, которые вы получаете с помощью этих устройств. Вот почему это отличается", - говорит Пиццолато.

А в проблемах химии и материалов кубиты просто лучше моделируют такие свойства, как связи и связанные электроны.

"Мы думаем о том, какие типы вещей можно отобразить на квантовые схемы, которые невозможно смоделировать классически, и что потом с ними делать", - говорит Пиццолато. "Большая часть обсуждения алгоритмов заключается в том, как я могу использовать базовую механику этого устройства. Как вы создаете карты в пространствах более высокой размерности и как вы используете эту координацию и умножение этих матриц для получения нужного вам ответа".

Инженерная фотографияIBM

Помните, что кубиты могут иметь значение ноль, единица или их комбинация. Поскольку кубиты - это волновые формы, инженеры могут вращать ноль или единицу, чтобы придать им отрицательную амплитуду. Кьюбиты также могут запутываться - уникальное свойство квантовой механики, не имеющее классического аналога. Запутанные кубиты могут содержать информацию не только в самих нулях и единицах, но и во взаимодействии между ними. Кроме того, в квантовых схемах есть ворота, которые могут вращать кубиты для изменения их фазы, а осцилляторы могут запутывать эти кубиты.

"Искусство квантового алгоритма заключается в том, как вы управляете всеми этими запутанными состояниями, а затем интерферируете таким образом, что неправильные амплитуды аннулируются, а амплитуды правильного состояния появляются, и вы получаете ответ", - говорит Назарио. "У вас гораздо больше возможностей для маневра в квантовом алгоритме из-за всех этих запутанных состояний и интерференции по сравнению с алгоритмом, который позволяет вам только перелистывать нули и единицы".

Qiskit, комплект разработки IBM с открытым исходным кодом для квантовых компьютеров, содержит информацию о различных типах квантовых алгоритмов и программ на разных уровнях детализации.

Примеры из реальной жизни

Вам все еще сложно представить, что делает кбит? Давайте увеличим масштаб и рассмотрим некоторые примеры использования квантовых компьютеров партнерами IBM. Например, биофармацевтическая компания Amgen собирается использовать квантовые компьютеры и машинное обучение для предсказания пациентов, которые лучше всего подходят для испытания лекарств, на основе медицинских записей и других факторов.

А компания Boeing применяет квантовые вычисления для анализа коэффициентов коррозии на самолетах. Крылья самолетов требуют определенной плотности материалов. Инженеры делают их из разных слоев различных материалов, но им нужна помощь, чтобы понять, как расположить эти слои таким образом, чтобы крылья были прочнее, дешевле и легче. Это сводится к задаче комбинаторной оптимизации.

Goldman Sachs использует его для ценообразования опционов. "Это очень сложные операции, которые требуют больших вычислительных затрат. И у них сложные распределения, - говорит Назарио. Это связано с вычислением производных от вариаций этих опционов (операция линейной алгебры), которые расскажут о рисках".

Наконец, в области естественных наук исследовательские группы заинтересованы в использовании квантовых компьютеров для изучения фотосинтеза.

Параллельное строительство

Хотя IBM постоянно увеличивает размер процессора для своих квантовых компьютеров и создает сообщество партнеров из промышленности, национальных правительственных центров и академических институтов, компания все еще выясняет, как лучше продвигаться вперед как в аппаратном, так и в программном обеспечении.

Компания ранее заявляла, что к 2025 году будет готова машина, способная квантовать (когда она может надежно и точно решить задачу лучше, чем классический компьютер). Это означает, что помимо разработки новых компонентов, ей необходимо устранить некоторые проблемные области и сделать более эффективным то, что уже хорошо работает.

"Это большая часть фокуса программного обеспечения. Мы поняли, что многие инструменты, инструменты смягчения ошибок, интеллектуальная оркестровка, идея вязания схем, как мы можем разбить проблемы на части, чтобы расширить возможности квантового компьютера, становятся все более распространенными в том, как мы можем продвигать технологию", - говорит Пиццолато.