IBM (International Business Machines) повідомила про створення нового процесора для квантових обчислень, який отримав назву Eagle, і заявила, що він є наріжним каменем на шляху створення квантового побутового комп'ютера.
"Поява процесора Eagle є великим кроком на шляху до дня, коли квантові комп'ютери зможуть перевищити можливість класичних у програмних додатках", – заявив директор дослідницького відділу IBM і старший віцепрезидент IBM доктор Даріо Ґіл.
Такі машини можуть зробити революцію в комп'ютерних технологіях і вирішувати завдання, які не під силу навіть найпотужнішим класичним процесорам. Однак поки що численні практичні складнощі не дозволяють створити працюючі моделі, здатні вийти з лабораторій у масове виробництво.
В останні роки інтерес до квантових процесорів різко зріс, оскільки вони можуть якісно змінити комп'ютерну потужність, що сприятиме створенню нових матеріалів та ліків і прогресу штучного інтелекту.
Квантові комп'ютери беруть на озброєння незвичну для нас поведінку матерії, прийняту в квантовій механіці.
У класичних комп'ютерах одиниця інформації називається бітом і може дорівнювати або нулю, або одиниці.
Але квантовий еквівалент біта, кубіт (quantum bit = qubit), може одночасно бути і нулем, і одиницею. Це фундаментальний принцип квантової механіки, який називається квантовою суперпозицією, коли можливе перебування одночасно в багатьох станах.
Для корисного використання такого явища кубіти мають бути взаємозалежними. Це квантовомеханічне явище називається квантовою заплутаністю.
Кубіти надзвичайно складно продукувати, і для правильної роботи потрібні величезні кріогенні холодильники. IBM заявила, що нові методи зрештою дозволять виробляти більше кубітів завдяки поєднання з досягненнями в системах охолодження та управління квантовим комп'ютером.
Новий чип має 127 кубітів (квантових бітів), що вдвічі перевищує попередні квантові процесори IBM. В компанії стверджують, що фізично система не може бути відтворена навіть на традиційних комп'ютерах: для моделювання Eagle потрібно більше "класичних бітів, ніж є атомів у всіх людей Землі".
Eagle – третій квантовий процесор IBM. У 2019 році компанія, оптимізувши решітку, представила 27-кубітний Falcon ("Сокіл"), а роком пізніше, масштабувавши зчитування, – 65-кубітний Hummingbird ("Колібрі"). Наступного року компанія планує, мініатюризувавши компоненти, випустити процесори Osprey ("Яструб") з 433 кубітами, ще через рік, вирішивши проблему інтеґрації, – Condor з 1121 кубітом. З випуском цього процесора компанія планує досягти так званої «квантової переваги» — точки, в якій квантові комп'ютери зможуть перевершити класичні комп'ютери. А дальшій перспективі – створення нової інфраструктури з квантовим виправленням помилок з досягненням мільйона кубітів і вище. Кількість процесорних кубітів за два останні роки подвоювалась кожні 11 місяців, за два наступні заплановано зменшити період подвоєння до 8 місяців. Кожен додатковий кубіт збільшує потужність процесора майже вдвічі.
Поява нового чипа стала можливою завдяки об'єднанню та доопрацюванню кількох технологій, розроблених у попередніх поколіннях процесорів IBM Quantum, а також переходу на нове компонування кубітів, про яке IBM оголосило раніше цього року: важке гексагональне компонування, що з'єднує кубіти у вигляді набору шестикутників. У цій схемі кубіти підключені до двох, трьох або максимум чотирьох сусідніх пристроїв, ніби вони були по краях мозаїчних шестикутників.
Конструкція покликана зменшити кількість помилок під час роботи кубітів. Компанія не розкриває точних показників системи, але стверджує, що це найнадійніша методика для обробки квантових обчислень. Таке підключення зменшило можливість помилок, викликаних взаємодією між сусідніми кубітами, забезпечуючи значне підвищення продуктивності функціональних процесорів. Хоч в середньому спостерігається нижчий рівень підключення, ніж у деяких конкуруючих конструкцій, в компанії вважають, що компроміс того вартий, оскільки дозволяє зменшити перехресні перешкоди. Кубіти з меншою ймовірністю впливатимуть на своїх сусідів, що призводить до помилок. Це дозволило IBM збільшити густину кубітів на кристалі.
Інше нововведення Eagle – це технологія мультиплексованого зчитування. Якщо в попередніх процесорах IBM кожен кубіт запускався зі спеціальним набором електронних компонентів, які відповідають за запис даних в кубіт і зчитування результатів обчислень, то новий процесор не потребує додаткової електроніки для читання та запису даних. У довгостроковій перспективі це рішення дозволить знизити вартість квантових комп'ютерів.
З інших цікавих досягнень варто виділити можливість налаштовувати частоти мікрохвиль, на які реагує кожен окремий кубіт, запобігаючи так званим "зіткненням", коли сигнал, призначений для одного кубіту, може змінювати і поведінку інших. Квантовий "компілятор" – програмне забезпечення, яке впорядковує порядок операцій, що виконують обчислення на квантовому устаткуванні, – також допоможе уникнути зіткнень. В результаті IBM знизила частоту помилок основного функціонального блоку пристрою до 0,001.
Причиною інтересу до Eagle є те, що він виводить квантові обчислення в діапазон корисності. Тобто дає можливість вибратися за межі того, що можуть робити звичайні комп'ютери. Крім того, новий процесор не потребує додаткової електроніки для читання та запису даних. У довгостроковій перспективі це рішення дозволить знизити вартість квантових комп'ютерів.
Компоненти управління процесором розміщені на кількох фізичних рівнях, проте кубіти зосереджено на одному. Така конструкція дозволила багаторазово збільшити обчислювальну потужність під час обробки алгоритмів. Це традиційне явище для традиційних мікросхем, але нове для світу квантових обчислень. Те, що сигнальні кабелі можуть також передавати мультиплексовані сигнали, дозволяє зменшити зайнятий кабелями простір порівняно зі схемою один кабель – один кубіт, коли кількість кубітів зросте.
18.11.2021