127-кубитный квантовый процессор IBM — что дальше?
В ноябре IBM объявила о выпуске квантового процессора Eagle с рекордным количеством кубитов (127). Также на подходе — два других квантовых процессора этой компании, предположительно более мощные и производительные по сравнению с Eagle. Они будут называться Osprey и Condor, а их выход на рынок ожидается в течение следующих двух лет. Компьютеры с новым процессором будут доступны для использования участникам IBM Quantum Network.
В последнее десятилетие сразу несколько ведущих компаний работают над созданием квантовых компьютеров, которые можно бы было использовать как полнофункциональные вычислительные машины. Они исследуют различные подходы к архитектуре, в частности, возможности различной физической реализации кубитов. Здесь уже можно выделить два основных направления, в которых проводятся работы: (1) квантовые компьютеры на спутанных фотонах и (2) с использованием сверхпроводящих материалов. Про некоторые из таких разработок можно прочитать в других статьях. Например, см. отдельный большой материал о разработанном в Китае квантовом компьютере Jiuzhang на основе фотонов, на котором недавно удалось достичь квантового превосходства. Все процессоры, созданные и анонсированные IBM, используют для создания кубитов сверхпроводники.
Новый процессор также установил рекорд по количеству используемых кубитов (127). Предыдущий рекорд IBM составлял 65 кубитов в процессоре Hummingbird. Представители компании также объявили, что Eagle — первый процессор, работу которого нельзя эмулировать при помощи обычных суперкомпьютеров. Отметим, что количество кубитов в квантовых процессорах — хороший показатель, чтобы примерно оценить достижение той или иной фирмы, но он не абсолютный. Сравнивать квантовые компьютеры на различных архитектурах (физические реализации кубитов) и от различных производителей только по количеству кубитов — примерно то же, что сравнивать обычные процессоры разных компаний (Intel vs AMD) только по тактовой частоте или количеству ядер. Значение имеет множество других факторов, в частности, устойчивость вычислительной схемы, количество ошибок при масштабировании на десятки кубитов и способность архитектуры справляться с ними. Так, ещё в 2018 году компания Google объявила о выпуске процессора Bristlecone с 72 кубитами (об этом на сайте есть отдельная статья), то есть больше, чем предыдущий рекорд в 65 кубитов, о котором говорит IBM. Первое подтверждённое прохождение рубежа квантового превосходства связывают с процессором Sycamore компании Google, в котором «всего» 53 кубита (также см. статью об этом). В китайском «фотонном» Jiuzhang — 76 кубитов, но ещё сложнее сравнивать компьютеры на фотонных и сверхпроводниковых кубитах. Для сравнения различных архитектур квантовых процессоров используют обобщённые характеристики, например, квантовый объём (quantum volume) — эвристическую метрику производительности, которая учитывает и количество кубитов, и частоту возникновения ошибок в квантовой вычислительной схеме.
Возможности современных технологий — по-видимому — это компьютеры с количеством кубитов порядка нескольких десятков. С увеличением их количества резко возрастают сложности с масштабированием из-за необходимости синхронизации такого большого количества квантовых систем. Кроме того, кубиты, реализованные на сверхпроводящих материалах, пока что требуют сверхнизких температур порядка кельвинов, а квантовые состояния большого их массива легко теряют когерентность даже при слабых воздействиях окружающей среды, включая флуктуации температуры.
Процессор Eagle изготовлен по новой технологии: компоненты схем управления массивом кубитов располагаются на нескольких слоях платы, причём сами кубиты занимают отдельный слой. По словам инженеров IBM, такое расположение улучшает устойчивость кубитов. По сравнению с предыдущими версиями квантовых процессоров IBM изменяется и топология размещения кубитов на слое. На этом и следующих квантовых процессоров кубиты располагаются, формируя так называемую «утяжелённую шестигранную решётку» (heavy-hex lattice). Каждый кубит здесь соединяется с двумя или тремя соседями в зависимости от нахождения в узлах или на рёбрах шестиугольников. Такая архитектура — четвёртая итерация в топологии квантовых компьютеров IBM, уже использованная в предыдущих моделях процессоров Falcon (27 кубитов) и Hummingbird (65 кубитов). Во всех будущих процессорах она заменит используемые раньше схемы с размещением кубитов в квадратных и треугольных решётках. Такое же техническое решение используют для двух будущих компьютеров, Osprey и Condor, с 433 и 1121 кубитами соответственно. Компания предполагает, что с выходом в 2023 году квантового компьютера Condor вычисления на нём уже будут обладать свойством квантового превосходства.