IBM ще създаде първия в света модулен квантов компютър с 200 логически кюбита и вградена корекция на грешки

IBM обнови плана си за създаване на първия в света квантов компютър, устойчив на грешки, за решаване на практически задачи. Системата е наречена Starling. Тя ще работи с 200 логически кюбита. Пускането в експлоатация е планирано за 2029 година. Научната бариера пред създаването на тази система вече не съществува.

В момента няма готови хардуерни решения за изграждане на системата Starling. IBM ще се насочи към нея поетапно. Системата ще бъде внедрена в новия квантов център за данни на IBM в Покипси, Ню Йорк.

Очаква се тя да извършва 20 000 пъти повече операции от днешните квантови компютри. За да симулира квантови изчислителни състояния, IBM Starling ще изисква памет, надвишаваща един квиндецилион байта (10^48), което далеч надхвърля възможностите на най-мощните суперкомпютри в света.

„IBM проправя пътя към следващата граница в квантовите изчисления. Нашият експертен опит в областта на математиката, физиката и инженерството проправя пътя за широкомащабен квантов компютър, устойчив на грешки, който ще решава реални проблеми и ще разкрива огромни бизнес възможности.“

каза Арвинд Кришна, председател и главен изпълнителен директор на IBM

Един широкомащабен квантов компютър, устойчив на грешки, със стотици или хиляди логически кюбити би могъл да извършва стотици милиони до милиарди операции, което би ускорило и оскъпило процесите в области като разработването на лекарства, снабдяването с материали, химията и оптимизацията. Системата Starling ще може да извършва 100 милиона квантови операции с помощта на 200 логически кюбита. Това ще бъде основата за следващата система Blue Jay, която ще може да извършва 1 милиард квантови операции с помощта на 2000 логически кюбита. Blue Jay ще се появи през 2033 година като еволюция на Starling. Ако тя стане реалност, изглежда, че ще трябва да се сбогуваме завинаги с традиционното криптиране.

Трябва да се припомни, че за да се реши проблемът с устойчивостта на грешки, за всеки логически кюбит, участващ в изчисленията трябва да има 1 милион физически (хардуерни) кюбита.

В основните трудове за квантовите изчисления се говори за това. През последните няколко години тези изисквания бяха значително облекчени, но IBM все още не е готова да каже колко физически кюбита ще участват за всеки логически кюбит. Независимо от това, системата включва изключително сложна процесорна архитектура, така че квантовият компютър в крайна сметка ще се побере в една изчислителна зала, вместо да заема площта на няколко.

От IBM заявиха, че са създали обещаваща архитектура, която ще може да извършва квантови изчисления със заплитане на такъв огромен брой физически кюбити. Архитектурата се основава на код, предложен от компанията. Без съмнение успехът на внедряването на ефективна архитектура, устойчива на грешки зависи от избора на код за коригиране на грешки и от начина, по който е проектирана и изградена системата, за да може този код да се мащабира.

Излишно е да се споменава, че този код трябва да бъде обвързан с архитектурата. Това ще принуди IBM да работи в рамките на една доста твърда рамка. Основните изисквания към архитектурата са:

• устойчивост на грешки, което ще ѝ позволи да потиска достатъчно грешки, за да изпълнява успешно полезни алгоритми;
• възможност за подготовка и измерване на логически кюбити с помощта на изчисления;
• приложимост на универсални инструкции към логически кюбити;
• възможност за декодиране на измерванията на логически кюбити в реално време и модифициране на последващите инструкции;
• модулност за мащабиране до стотици или хиляди логически кюбити за изпълнение на по-сложни алгоритми;
• достатъчна ефективност за изпълнение на по-сложни алгоритми.

В два нова технически документа IBM очертава как ще изглежда това.

Първо, тя представи кода qLDPC – квантови кодове с проверка на четността с ниска плътност (подобно на класическия LDPC). Този код значително намалява броя на физическите кюбити, необходими за корекция на грешки и намалява необходимите режийни разходи с около 90% в сравнение с други обещаващи кодове. Описани са и ресурсите, необходими за надеждно изпълнение на мащабни квантови програми, като се доказва, че тази архитектура е по-ефективна от други.

Във втория документ компанията описва как ефективно да декодира информацията от физическите кюбити и предлага начин за откриване и коригиране на грешки в реално време с помощта на конвенционални изчислителни ресурси.

В действителност това ще изглежда по следния начин. В края на 2025 година IBM ще представи процесорния модул Loon. Модулът е предназначен за тестване на компонентите на кодовата архитектура qLDPC, включително „С-връзките“, които свързват кюбитите на големи разстояния в рамките на един чип. Нарастващата сложност на архитектурата и взаимовръзките в рамките на един многослоен чип е илюстрирана от изображението по-горе, което сравнява сегашния квантов процесор Heron и Loon на IBM.

През 2026 година компанията ще представи първия модулен процесор Kookaburra, предназначен за съхранение и обработка на кодирана информация. Той ще съчетава квантова памет с логически операции и ще бъде основен градивен елемент за мащабиране на системи, устойчиви на грешки, извън рамките на един чип.

През 2027 година IBM ще пусне на пазара процесорния модул Cockatoo. Той ще комбинира два модула Kookaburra с помощта на „L-образни взаимовръзки“. Тази архитектура ще позволи квантовите чипове да бъдат свързани помежду си като възли в по-голяма система, без да се налага да се изграждат непрактично големи чипове. Системата Squirtle ще бъде изградена чрез комбиниране на модулите Kakadu в една платформа. Платформата включва криогенно охлаждане на базовите компоненти до около 4 келвина (-273,15°C). За да се интегрира с конвенционалните компютри, свързващата електроника също ще трябва да бъде охладена до такива температури. Системата обаче няма да бъде разположена цялата в хладилник, а само изчислителните възли.

IBM направи предложение, което може да преобърне света на компютрите с главата надолу. Доколко ще успее да я реализира, все още е открит въпрос.