Современные классические суперкомпьютеры способны на многое. Но поскольку их вычисления ограничены двоичными состояниями 0 или 1, они могут испытывать трудности при решении чрезвычайно сложных задач, таких как моделирование естественных наук. Именно здесь преимущество могут получить квантовые компьютеры, которые могут представлять информацию в виде 0, 1 или, возможно, обоих состояний одновременно.
В прошлом году IBM представила вычислительный чип на 127 кбит и структуру под названием IBM Quantum System Two, предназначенную для размещения таких компонентов, как криостат люстры, проводка и электроника для этих более мощных чипов. Эти разработки позволили IBM опередить другие крупные технологические компании, такие как Google и Microsoft, в гонке за создание самого мощного квантового компьютера. Сегодня компания излагает свой трехлетний план по созданию процессора, который она называет "Kookaburra", чтобы к 2025 году выйти за пределы 4 000 кбит. Вот как она планирует достичь этого.
Чтобы расширить свои возможности по обработке кубитов, IBM продолжит разработку аппаратных и программных компонентов для квантовых чипов. Первым появится новый процессор под названием Heron, который может похвастаться 133 кубитами. Помимо большего количества кубитов, чип Heron отличается по конструкции от своего предшественника Eagle. "Он позволяет нам получить гораздо большую долю функционирующих 2-кбит ворот. В нем используется новая архитектура, называемая перестраиваемыми соединителями", - говорит Джерри Чоу, директор по разработке квантовых аппаратных систем в IBM Quantum.
"Наряду с планом по созданию нового процессора для Heron, мы хотим иметь возможность иметь несколько Heron, которые будут управляться через одну архитектуру управления", - добавляет он. "Мы хотим иметь возможность классической связи между этими чипами и процессорами по мере их создания".
Улучшенное управление на уровне затвора
Прежде чем понять, что такое кубиты, необходимо понять, что такое бит и что такое ворота. В классических компьютерах информация кодируется в виде двоичных битов (0 или 1). Транзисторы - это переключатели, которые управляют потоком электронов. Транзисторы подключены к нескольким электродам, включая электрод затвора. Изменение электрического заряда на электроде затвора управляет тем, включен ли транзистор в состоянии 1 или выключен, в состоянии 0. Физические изменения этих состояний позволяют компьютерам кодировать информацию. Логические затворы состоят из определенного расположения транзисторов. Группа транзисторов может составить интегральную схему, которая может хранить куски данных. Все эти схемы соединены между собой на поверхности микросхемы.
Кубиты работают иначе, чем биты, и квантовые ворота работают иначе, чем классические ворота. В отличие от классических битов, которые могут иметь значение 1 или 0 при соответствующих условиях, кубиты могут находиться в волнообразном состоянии квантовой суперпозиции, которое представляет собой сферу всех возможных конфигураций - 0, 1 или обе одновременно. Информация, которую может хранить каждый добавленный кубит, увеличивается экспоненциально, в отличие от битов, которые увеличиваются линейно. Обстрел микроволновыми фотонами на специфических для кубитов частотах позволяет исследователям управлять их поведением, которое может заключаться в удержании, изменении или считывании единиц квантовой информации.
К сожалению, кубиты довольно хрупки: они чувствительны к теплу, нестабильны и склонны к ошибкам. Когда кубиты общаются друг с другом или с проводками в окружающей среде, они могут потерять свои квантовые свойства, что делает вычисления менее точными. При описании того, как долго они могут находиться в состоянии суперпозиции, эксперты называют их "временем когерентности". Время когерентности и то, сколько времени требуется для того, чтобы сделать ворота, устанавливают предел того, насколько большие квантовые вычисления можно выполнить с помощью набора кубитов.
"При проектировании наших нынешних процессоров, Falcon, Hummingbird, Eagle, использовалась фиксированная связь между кубитами, и мы использовали двухкбитную кросс-резонансную задвижку на основе микроволн, - говорит Чоу. В этих случаях они использовали разные частоты для связи с соответствующим кубитом. Теперь они добавляют "индивидуальные регуляторы магнитного поля для соединителей между кубитами", - говорит Чоу, что позволяет им включать взаимодействие кубитов с помощью различных микроволновых частот.
Множественные, связанные между собой квантовые процессоры
Классические компьютеры имеют ядра, представляющие собой группы транзисторов, которые могут выполнять несколько задач параллельно. Вы можете представить себе это как несколько касс в супермаркете, вместо того чтобы каждому стоять в очереди к одной. Процессоры с несколькими ядрами, или многопоточность, позволяют разделить большую задачу на более мелкие части, которые могут быть переданы для обработки разным ядрам.
Теперь IBM хочет применить эту концепцию и к квантовым вычислениям, используя технику, называемую вязанием схем. Это "эффективно берет большие квантовые схемы, находит способы разбить их на более мелкие, более удобоваримые квантовые схемы, которые могут быть почти параллельно запущены на нескольких процессорах", - объясняет Чоу. "Такое классическое распараллеливание увеличивает типы проблем и возможностей, которые мы можем решать". Распараллеливание также может быть полезно для уменьшения количества ошибок.
Этот проект не связан с разработкой Osprey или Condor, которые в ближайшие несколько лет достигнут 433 и 1 121 кубита соответственно. "Но мы также хотим иметь встроенную модульность, которая позволит нам масштабироваться еще больше. На каком-то уровне количество кубитов, которые мы сможем разместить на одном чипе, станет ограниченным", - говорит Чоу. "В настоящее время мы проверяем некоторые из этих границ с помощью Osprey и Condor".
Идея Heron заключается в том, чтобы инженеры проверили способы установления квантовых связей между несколькими квантовыми чипами. "Мы исследуем то, что мы называем модульными соединителями, которые позволят нам эффективно иметь несколько чипов, соединенных вместе, - говорит Чоу. Это позволит создать, по сути, более крупный квантовый когерентный процессор, состоящий из трех отдельных квантовых чипов с одним и тем же базовым квантовым процессором". С этой целью IBM надеется в 2024 году соединить три чипа в 408-кбитную систему под названием Crossbill.
Для еще большего масштабирования IBM также работает над дальнодействующими соединителями, которые смогут соединять кластеры квантовых процессоров через криогенный кабель длиной в метр (сверхпроводящие кубиты нужно держать очень холодными). "Мы называем это межквантовым каналом связи", - говорит Чоу, и он может расширить квантовые когерентные соединения в общей криогенной среде.
Сочетание параллелизации, соединения между кристаллами, а также дальнего соединения - вот что может позволить им достичь своей цели к 2025 году - системы из 4 158 кбит: Kookaburra.
Объединение классических вычислений с квантовыми вычислениями
Переход к квантовым вычислениям не означает перепроектирование всего компьютера с нуля. Большая часть квантовой системы работает на классической вычислительной инфраструктуре. "Обычно наши системы работают так: квантовый процессор находится внутри холодильника, и вы постоянно общаетесь с ним с помощью классической инфраструктуры", - говорит Чоу. "Классическая инфраструктура генерирует эти микроволновые импульсы, генерирует показания. Когда вы программируете схему, это превращается в оркестровку ворот, операций, которые поступают на чипы".
Но вместо того, чтобы иметь только квантовые процессоры, один контроллер может также питаться от классических процессоров, таких как CPU и GPU, которые будут подключены параллельно к квантовому чипу, но не квантовым способом. Таким образом, он может выполнять потоковые приложения, используя как классические, так и квантовые вычислительные мощности.
"Квантовый процессор предоставляет иные ресурсы, чем GPU или сверхбольшой CPU", - говорит Чоу. "Но в целом, все это будет чем-то похожим на суперкомпьютер, который все еще оркестрован".
В видении IBM о будущем вычислений, машины будут иметь компоненты, которые смогут запускать квантовые схемы на квантовом оборудовании. Однако этот компонент будет сшит вместе с классической памятью и классической инфраструктурой. Этот тип гибридной структуры может быть использован для решения таких задач, как молекулярное моделирование, в котором используется гибридный квантово-классический алгоритм, называемый вариационным квантовым эйгенсолвером.
Квантовое программное обеспечение
Квантовые схемы не похожи на классические схемы. Логика для ворот другая, и язык для алгоритмов другой.
Когда первый квантовый компьютер IBM был запущен в облако в 2016 году, он поставлялся с языком ассемблера под названием OpenQASM, который использовался для создания программ. В этом году IBM интегрирует в библиотеку OpenQASM 3 "динамические схемы", которые могут одновременно измерять кубиты и обрабатывать классическую информацию. Это также аппаратное усовершенствование, которое зависит от улучшения управляющей электроники и лучшего обмена сообщениями в реальном времени между управляющей стороной схемы и стороной измерения. Это может позволить больше исправлений ошибок и проверок на четность.
Базовый язык кодирования для этих типов операций будет формировать примитивы, или основные вычислительные элементы алгоритма, все из которых станут частью платформы IBM Qiskit Runtime, вычислительного сервиса и модели программирования для квантовых вычислений. Qiskit содержит различные уровни языков ассемблера для разработчиков ядра, которым, возможно, придется работать с кодом и аппаратурой, и API в стеке Qiskit для разработчиков алгоритмов для бессерверной работы.
"На этом более высоком уровне для разработчиков алгоритмов вам не нужно заботиться о том, чтобы запустить его на каком-то конкретном бэкенде, когда у вас есть эта облачная среда, где вы можете получить доступ к CPU, GPU и QPU, все вместе", - говорит Чоу. "Это позволяет нам использовать классические ресурсы в сочетании с квантовыми ресурсами для решения некоторых больших проблем квантовых схем - тех, которые могут быть связаны с такими вещами, как квантовое преимущество".