Świat nowoczesnego przetwarzania danych bardzo mocno skupia się w ostatnim czasie na doniesieniach o budowie nowych komputerów kwantowych i zwiększeniu ich dostępności dla wszystkich chętnych. Jednakże zbudowanie urządzenia, które będzie potrafiło uchwycić całe piękno fenomenów mechaniki kwantowej okazuje się jednym z najtrudniejszych problemów naszych czasów, a wręcz wydaje się niemożliwe…
Nie powstrzymuje to jednak firm, których celem jest zmiana paradygmatu obliczeniowego i wprowadzenie komputerów kwantowych do użytku codziennego. Wszyscy chcą zbudować największy, możliwy superkomputer kwantowy. W przyszłości pozwoli on wypełnić lukę tam, gdzie klasyczne komputery nie są w stanie osiągnąć odpowiedniej szybkości przetwarzania. Przez to zaś ograniczają możliwość rozwoju podejścia do obliczeń w różnych gałęziach przemysłu powstrzymując rewolucję w prowadzeniu biznesu.
Cel: ponad 1 mln kubitów w komputerze kwantowym
IBM ogłosiła własną mapę drogową, która – według mnie – przeniesie nas z czasu niewielkich urządzeń do systemów, w których będziemy mieli dostępny ponad 1 mln kubitów. Tak, nie przesłyszeliście się ponad 1 mln! Zespoły IBM Research pracują aktualnie nad pakietem skalowalnych, coraz większych i lepszych procesorów, w których dostępne będzie ponad 1000 nadprzewodnikowych kubitów. Nazwa kodowa komputera kwantowego, który będzie w nie wyposażony to IBM Quantum Condor. Jego dostępność przewiduje sie na rok 2023.
Jednakże, aby móc zbudować jeszcze większe systemy – o wiele większe, niż IBM Quantum Condor – należy zbudować największą komorę chłodzącą na świecie. Zbudowana zostanie więc superchłodziarka o wielkości ok. 3 metry na 2 metry o nazwie kodowej “Goldeneye”. Będzie wielokrotnie większa niż jakakolwiek obecnie dostępna na rynku. Zespół IBM Research zaprojektował ją właśnie z myślą o systemie z ponad 1 mln kubitów pozwalającym na intranetowe połączenie z innymi procesorami i stworzenie klastra obliczeniowego, który pozwoli zmienić całkowicie nasze podejście do obliczeń.
Zespół IBM Quantum buduje kolejne, kwantowe procesory, które wykorzystują fenomeny mechaniki kwantowej. Reprezentujemy w nich dane przy użyciu elektronicznych stanów kwantowych sztucznych atomów znanych jako nadprzewodnikowe kubity transmonowe. Są one połączone i kontrolowane przez sekwencje impulsów mikrofalowych. W wyniku oddziaływania z zewnętrznym światem kubity szybko tracą informację o swoich stanach kwantowych. Dlatego też największym wyzwaniem stojącym dziś przed zespołami budującymi takie procesowy jest znalezienie sposobu sterowania dużymi systemami tych kubitów przez odpowiednio długi czas z jednoczesnym ograniczeniem błędów. Pozwoli to w przyszłości uruchomić złożone układy kwantowe wymagane przez przyszłe aplikacje kwantowe.
Zmierzając do tego celu zespół IBM Quantum buduje kolejne, kwantowe procesory, które wykorzystują fenomeny mechaniki kwantowej. Reprezentujemy w nich dane przy użyciu elektronicznych stanów kwantowych sztucznych atomów znanych jako nadprzewodnikowe kubity transmonowe. Są one połączone i kontrolowane przez sekwencje impulsów mikrofalowych. W wyniku oddziaływania z zewnętrznym światem kubity szybko tracą informację o swoich stanach kwantowych. Dlatego też największym wyzwaniem stojącym dziś przed zespołami budującymi takie procesowy jest znalezienie sposobu sterowania dużymi systemami tych kubitów przez odpowiednio długi czas z jednoczesnym ograniczeniem błędów. Pozwoli to w przyszłości uruchomić złożone układy kwantowe wymagane przez przyszłe aplikacje kwantowe.
IBM bada nadprzewodnikowe kubity od roku 2000 zwiększając czas koherencji i zmniejszając liczbę błędów. Na początku 2010 roku uruchomiono pierwsze urządzenia wielokanałowe. Ciągłe udoskonalenia i postępy na każdym poziomie systemu – od kubitów do kompilatora – pozwoliły nam na umieszczenie pierwszego komputera kwantowego w chmurze w 2016 roku. Obecnie utrzymujemy ponad 24 stabilne komputery kwantowe w IBM Cloud. Dostępne są one nie tylko dla naszych klientów, ale również dla ogółu. W ramach tych systemów możliwe są eksperymenty na 5-kubitowych procesory IBM Quantum Canary i 27-kubitowych procesory IBM Quantum Falcon. Co istotne, niedawno na jednym z naszych układów udało się osiągnąć wystarczająco długi układ kwantowy, aby zadeklarować kwantowy wolumen 64. Udało się to osiągnąć dzięki wprowadzeniu ulepszeń kompilatora i udoskonaleniu kalibracji bramek przy jednoczesnej redukcji szumów
Kolejne, kwantowe przełomy technologiczne
Równolegle do naszych wysiłków zmierzających do ulepszenia – dostępnych w chmurze IBM urządzeń – skupiamy się na stworzeniu coraz większych, skalowalnych urządzeń. W tym miesiącu członkowie sieci IBM Quantum Network zostali zaskoczeni, gdyż „po cichu” udostępniliśmy 65-qubitowy procesor IBM Quantum Hummingbird. Urządzenie to posiada funkcję multipleksowania odczytu 8:1. Oznacza to, że łączymy sygnały odczytowe z ośmiu kubitów w jeden, zmniejszając całkowitą ilość okablowania i komponentów potrzebnych do odczytu i poprawiając zdolność do skalowania, zachowując jednocześnie wszystkie, wysokowydajne funkcje z procesorów generacji Falcon. Znacznie skróciliśmy czas opóźnienia przetwarzania sygnału, w powiązanym systemie sterowania, w ramach przygotowań do nadchodzących możliwości systemu sprzężenia zwrotnego i zasilania, gdzie będziemy w stanie kontrolować kubity w oparciu o klasyczne warunki podczas pracy układu kwantowego.
Natomiast już w 2021 roku zadebiutujemy ze 127-kubitowym procesorem IBM Quantum Eagle. Układ ten posiada kilka ulepszeń, które mają na celu przekroczenie 100-qubitowej granicy. Co najważniejsze, celem jest nie to tylko osiągnięcie tej właśnie liczby kubitów, ale również kolejne techniczne zmiany mające na celu zwiększenie gęstości sygnałów. Pozwoli to na zwiększenie upakowania układu z jednoczesnym zmniejszeniem ilości błędów.
Zasady projektowania ustalone dla mniejszych procesorów kwantowych IBM są bazą dla kolejnego, zaprojektowanego już systemu, którego dostępność planujemy na 2022 rok. Nazwa kodowa systemu brzmi IBM Quantum Osprey 433-qubit. Będzie on wykorzystywał ulepszony system chłodzenia oraz architekturę bazująca na ograniczeniu błędów wynikających ze zbyt dużej ilości kubitów. Z kolei w roku 2023 planowany jest debiut systemu zbudowanego z 1121-kubitów, procesorem IBM Quantum Condor. Maszyna ta będzie punktem zwrotnym w rozwoju technologii Quantum Computing i potencjalnie może doprowadzić do osiągnięcia przewagi obliczeniowej – Quantum Advantages. Dzięki niej niektóre problemy będziemy mogli rozwiązać wydajniej na komputerze kwantowym niż na najlepszych superkomputerach na świecie. Warto podkreślić, że systemy te będą ogólnodostępne w ramach IBM Cloud. Maszyny te nadal będzie więc można programować przy użyciu pakietu oprogramowania IBM Quantum Experience oraz Qiskit.
Sama mapa drogowa i osiągnięcie w 2023 roku ponad 1000 kubitów jest bardzo ambitna, uznano jednak , że nie tylko zwiększanie liczby kubitów pozwolić może na osiągniecie przewagi obliczeniowej. Dlatego warto zwrócić uwagę na pięć elementów, które pozwolić moga na tak dynamiczne zwiększenie mocy. Co ważne, upubliczniając mapę drogową rozwoju technologii Quantum Computing, IBM zobowiązuje się do spełnienia szeregu agresywnych benchmarków, które pomogą firmie utrzymać pozycję lidera w dziedzinie obliczeń kwantowych i wprowadzić klientów na drogę do przełomowych osiągnięć.
dr Piotr Biskupski,
IBM Q Ambassador, IBM Security – IBM i2 – Pan-IMT Client Technical Professional
