IBM prezentuje Starling: plan działania na rzecz odpornych na błędy obliczeń kwantowych

IBM ogłosił śmiałą wizję stworzenia pierwszego na świecie wielkoskalowego, odpornego na błędy komputera kwantowego, co stanowi przełomowy krok w kierunku praktycznych i skalowalnych obliczeń kwantowych. Najnowsza mapa drogowa firmy, ujawniona wraz z tym ogłoszeniem, przedstawia jasną ścieżkę do pokonania barier technicznych, które od dawna ograniczały wykorzystanie systemów kwantowych w zastosowaniach eksperymentalnych i na małą skalę.

IBM Quantum Starling: skok w mocy obliczeniowej

Kluczowym elementem strategii IBM jest IBM Quantum Starling, system, którego premiera planowana jest na 2029 rok. Ten komputer kwantowy zostanie umieszczony w nowym centrum przetwarzania danych IBM Quantum Data Center w Poughkeepsie w stanie Nowy Jork i ma wykonywać 20 000 razy więcej operacji niż dzisiejsze komputery kwantowe. Możliwości obliczeniowe komputera Starling są tak ogromne, że ich odwzorowanie wymagałoby więcej pamięci niż kwindecylion (10^48) najpotężniejszych superkomputerów świata razem wziętych. Dzięki temu przełomowi użytkownicy będą mogli badać stany kwantowe i złożoność obliczeniową znacznie wykraczającą poza możliwości obecnych systemów kwantowych.

Globalna flota komputerów kwantowych IBM już teraz przoduje w branży. Jednak nowy plan rozwoju wyznacza kierunek rozwoju praktycznego, odpornego na błędy komputera kwantowego, zdolnego do stawiania czoła realnym wyzwaniom biznesowym i naukowym. Arvind Krishna, prezes i dyrektor generalny IBM, podkreślił, że postęp firmy wynika z jej dogłębnej wiedzy z zakresu matematyki, fizyki i inżynierii, ukierunkowanej na zbudowanie komputera kwantowego, który będzie w stanie rozwiązywać istotne problemy i otwierać nowe możliwości biznesowe.

Obietnica odpornego na błędy przetwarzania kwantowego

Wielkoskalowy, odporny na błędy komputer kwantowy, składający się z setek, a nawet tysięcy kubitów logicznych, mógłby wykonywać od setek milionów do miliardów operacji. Ta możliwość ma potencjał, aby zrewolucjonizować przemysł poprzez radykalną poprawę efektywności czasowej i kosztowej w takich dziedzinach jak odkrywanie leków, materiałoznawstwo, chemia i złożona optymalizacja.

IBM Quantum Starling będzie pierwszym komputerem, który wykona 100 milionów operacji kwantowych z wykorzystaniem 200 kubitów logicznych, kładąc podwaliny pod komputer IBM Quantum Blue Jay nowej generacji, który będzie skalowalny do 1 miliarda operacji na 2,000 kubitach logicznych. Kubity logiczne, będące elementami składowymi komputerów kwantowych z korekcją błędów, zbudowane są z klastrów kubitów fizycznych, które współpracują ze sobą, przechowując informacje kwantowe i monitorując błędy. Architektura ta jest niezbędna do tłumienia błędów i umożliwienia wykonywania niezawodnych obliczeń kwantowych na dużą skalę.

Korekcja błędów jest równie istotna dla komputerów kwantowych, jak i dla systemów klasycznych. Grupując kubity fizyczne w kubity logiczne, IBM może wykładniczo zmniejszyć wskaźniki błędów, umożliwiając tworzenie bardziej złożonych i trwających dłużej obwodów kwantowych. Wyzwanie polega na zwiększeniu liczby kubitów logicznych przy jednoczesnej minimalizacji wymaganych zasobów fizycznych – przeszkody, której do tej pory nie udało się rozwiązać w praktyce bez nadmiernych nakładów inżynieryjnych.

Projektowanie skalowalnej architektury odpornej na błędy

Droga do wielkoskalowych, odpornych na błędy obliczeń kwantowych opiera się na wyborze kodu korekcyjnego i zdolności systemu do efektywnego skalowania tego kodu. Tradycyjne kody korekcyjne, choć teoretycznie skuteczne, wymagają niepraktycznie dużej liczby fizycznych kubitów i infrastruktury pomocniczej, co czyni je nieodpowiednimi do zastosowań wykraczających poza demonstracje na małą skalę.

Podejście IBM opiera się na kilku kluczowych wymogach architektonicznych, w tym:

• System musi być na tyle odporny na błędy, aby móc wyeliminować błędy występujące w praktycznych algorytmach.
• Musi obsługiwać przygotowywanie, pomiary i manipulowanie kubitami logicznymi w trakcie obliczeń.
• Uniwersalne instrukcje muszą odnosić się do kubitów logicznych, z dekodowaniem w czasie rzeczywistym i adaptacyjnym sterowaniem.
• Architektura musi być modułowa, aby można ją było skalować do setek lub tysięcy kubitów logicznych, a także na tyle wydajna, aby działać w ramach realistycznych ograniczeń fizycznych i energetycznych.

Aby sprostać tym wyzwaniom, IBM opublikowało dwa dokumenty techniczne szczegółowo opisujące swoje rozwiązania. Pierwszy z nich opisuje, jak kody kwantowej kontroli parzystości o niskiej gęstości (qLDPC) mogą przetwarzać instrukcje i wykonywać operacje przy radykalnie zmniejszonym narzucie, zmniejszając liczbę wymaganych kubitów fizycznych o około 90% w porównaniu z poprzednimi metodami. To przełomowe odkrycie, opisane na okładce magazynu „Nature” , dowodzi wydajności i skalowalności podejścia qLDPC.

W drugim artykule przedstawiono metodę efektywnego dekodowania informacji z fizycznych kubitów i korygowania błędów w czasie rzeczywistym z wykorzystaniem konwencjonalnych zasobów obliczeniowych. Wszystkie te postępy stanowią podstawę skalowalnej i odpornej na błędy architektury kwantowej IBM.

Mapa drogowa do realizacji: kluczowe kamienie milowe

Zaktualizowana mapa drogowa IBM Quantum Roadmap przedstawia szereg kamieni milowych technologii, z których każdy ma na celu rozwiązanie konkretnych problemów w budowaniu modułowych, skalowalnych i korygujących błędy komputerów kwantowych:

• IBM Quantum Loon (2025): Procesor ten będzie testował komponenty architektoniczne dla kodu qLDPC, w tym „sprzęgacze C”, które umożliwiają połączenia na duże odległości między kubitami na tym samym układzie.
• IBM Quantum Kookaburra (2026): Kookaburra, jako pierwszy modułowy procesor IBM, będzie integrował pamięć kwantową z operacjami logicznymi, tworząc podstawowy element skalowalnych systemów odpornych na błędy wykraczających poza pojedynczy układ scalony.
• IBM Quantum Cockatoo (2027): System ten będzie splatał dwa moduły Kookaburra za pomocą „sprzęgaczy L”, łącząc układy kwantowe jako węzły większego systemu i eliminując potrzebę stosowania niepraktycznie dużych układów scalonych.

Wizja IBM dotycząca komputerów kwantowych jest ambitna i technicznie solidna. Koncentrując się na korekcji błędów, skalowalności i wydajności, IBM dąży do bycia liderem w erze kwantowej. Jej plan działania i przełomowe osiągnięcia zapowiadają nowy rozdział w rozwiązywaniu problemów, z którymi klasyczne komputery nie potrafią sobie poradzić.