Криогенная разработка IBM способна связать сотни квантовых процессоров, охлаждаемых до температур, которые в 180 раз ниже показателей открытого космоса. Компания существенно переработала архитектуру своих прежних криогенных установок, остановившись на прямоугольной геометрии.
Евгения Васильева
Масштабируемая модульная криогенная система IBM для поддержки отказоустойчивых квантовых вычислений. Источник: IBM
Проект IBM как альтернатива космическому холоду
IBM, известный производитель компьютерного оборудования, анонсировал первый модульный криогенный квантовый холодильник собственного производства. Такие блоки допускают стыковку друг с другом, формируя общую охлаждаемую зону для множества квантовых чипов. Система, обеспечивающая охлаждение ниже отметки в 15 милликельвинов, считается ключевым шагом в планах IBM по созданию масштабного отказоустойчивого квантового компьютера к 2029 году.
Квантовые машины рассматриваются как следующая ступень эволюции вычислений. Они способны проводить сложнейшие расчёты за ничтожную долю времени, необходимого самым мощным современным суперкомпьютерам.
Классические кремниевые устройства работают на двоичных битах, фиксирующих лишь 0 или 1. Квантовые же системы оперируют кубитами, которые могут принимать множество промежуточных значений между 0 и 1, а также выполнять операции параллельно. Это даёт экспоненциальный рост производительности.
Кубиты функционируют при сверхнизких температурах, приближающихся к абсолютному нулю. Достижение подобных условий — сложная инженерная задача. Исследователи развили технологию, применяя многоступенчатые аппараты, известные как рефрижераторы растворения. Сами кубиты размещаются в камерах с экстремальным холодом, однако громоздкая конструкция охладительного оборудования и вычислительных контуров мешает наращиванию мощности квантовых машин.
Каким образом IBM решает эту задачу
IBM радикально изменила дизайн своих криогенных систем, выбрав прямоугольную форму корпуса. Такое решение позволяет плотнее разместить провода для управления и считывания данных, а также упрощает сопряжение соседних модулей. В результате высвобождается дополнительное пространство под квантовые процессоры.
Представьте себе центр обработки данных, где вместо привычных серверных стоек с вентиляторами и мерцающими индикаторами стоят герметичные колонны, внутри которых царит температура, близкая к абсолютному нулю. Именно так будет выглядеть инфраструктура будущих квантовых вычислений.
Решение IBM с прямоугольными модулями — это не просто косметическое изменение формы. Это фундаментальный сдвиг в логистике квантового масштабирования.
В сферических криогенных камерах, которые доминировали десятилетиями, полезный объем всегда был парадоксально мал: большая часть пространства уходила на технические зазоры и сложную разводку, а провода, ведущие к кубитам, создавали «пробки» на входе. Прямоугольная геометрия превращает каждый модуль в эффективный конструктор, где стыковка блоков происходит по принципу детских кубиков, но с точностью до микрона.
Новая компоновка также предполагает разделение узлов и подсистем. Это даёт возможность совершенствовать их по отдельности в будущем, даже при росте плотности кабелей, охладительных контуров и квантовых элементов.
В ходе недавнего теста IBM соединила два действующих модуля новых криогенных систем. Демонстрация показала, что они способны совместно охладить пространство до 4 кельвинов менее чем за пять суток, а затем достичь целевой температуры ниже 15 милликельвинов. Этот показатель в 180 раз холоднее условий открытого космоса. При этом новый модуль вмещает в 12 раз больше проводников, чем прежние версии IBM, что расширяет возможности соединений между чипами, как внутри блоков, так и снаружи.
Успешный тест двух объединенных модулей продемонстрировал, что параллельная работа охладительных контуров позволяет достичь целевой температуры значительно быстрее и стабильнее, чем при использовании одной гигантской камеры.
Это критически важно, ведь для запуска коммерчески полезного квантового компьютера к 2029 году потребуется объединить не два и не десять таких блоков, а сотни. Каждый модуль становится независимой «квантовой квартирой», подключенной к общей «инженерной магистрали». Такая архитектура упрощает обслуживание: если один блок выходит из строя, его можно отключить и заменить, не останавливая работу всей системы, что в мире квантовых вычислений ранее считалось невозможным.
Отказоустойчивый квантовый компьютер
Однако по-настоящему революционным является решение проблемы коммуникации между чипами. L-образная технология связи, встроенная в модуль, решает главную проблему масштабирования — передачу квантовой информации между процессорами без ее разрушения.
В классических чипах сигнал можно передавать по медным дорожкам на расстоянии в миллиметры, но квантовая информация чрезвычайно хрупка. IBM удалось спроектировать пути передачи таким образом, что кубиты могут «общаться» друг с другом, находясь в соседних модулях, без потери квантовой когерентности. Это превращает разрозненные чипы в единый вычислительный организм, где тысячи кубитов работают как один гигантский процессор, а не как набор отдельных карманных калькуляторов.
Каждый такой модуль имеет высоту около 2,4 метра и аналогичную ширину. В них применяется фирменная L-образная технология связи IBM, которая напрямую подключается к квантовым процессорам. Данный подход позволяет нескольким чипам обмениваться данными и работать совместно в составе более крупной квантовой системы.
L-образные соединения — центральный элемент стратегии IBM по созданию большого квантового компьютера с как минимум 1000 программируемыми кубитами к 2027 году. Для достижения этой цели компания планирует уже в конце текущего года установить свои процессоры NightHawk в новые криогенные модули и запустить их в тестовую эксплуатацию.
Амбициозная цель — более 1000 кубитов
Согласно дорожной карте IBM, предусматривающей выпуск крупномасштабного квантового компьютера к 2029 году, каждый из подобных криогенных блоков будет содержать тысячи кубитов.
«Промышленное внедрение отказоустойчивых квантовых систем опирается на ряд фундаментальных прорывов», — отметил Джей Гамбетта, директор по исследованиям IBM, в пресс-релизе. «Успешное объединение и запуск этих криогенных модулей — свидетельство прогресса в данном направлении. Это ускорит нашу работу вместе с дальнейшими достижениями в квантовом оборудовании, программном обеспечении и алгоритмах».
Амбициозная цель в 1000 программируемых кубитов к 2027 году может показаться скромной на фоне текущих машин с сотнями кубитов, но здесь кроется принципиальное различие. Проблема не в количестве самих кубитов, а в качестве связей и коррекции ошибок.
Для отказоустойчивого компьютера, который сможет решать задачи, недоступные классическим суперкомпьютерам, необходимо настолько сложное переплетение логических операций, что даже малейший сбой в охлаждении или передаче данных приведет к катастрофе.
Процессоры NightHawk, которые будут установлены в новые модули к концу года, станут первой реальной проверкой того, насколько эта архитектура готова к коммерческой эксплуатации.
Помимо аппаратной части, IBM активно развивает программный слой, необходимый для отказоустойчивых квантовых машин. В прошлом году корпорация представила новый метод коррекции ошибок, который снижает объём физических ресурсов, требуемых для достижения отказоустойчивости, как указано в официальном пресс-релизе.
Дорожная карта IBM подчеркивает, что создание квантового компьютера — это не только физические эксперименты с холодом и проводами, но и глобальная программная революция.
Недавно представленный метод коррекции ошибок снижает требования к аппаратным ресурсам в разы, что означает: для достижения одной и той же вычислительной мощности потребуется значительно меньше физических кубитов.
Это напоминает гонку вооружений, где одна сторона пытается построить более мощное оружие (увеличивая число кубитов), а другая — найти более эффективную тактику (улучшая алгоритмы).
IBM выбрала вторую стратегию, понимая, что инженерные ограничения физических систем неизбежны, и только сочетание «умного» холодного оборудования и «умного» программного обеспечения приведет к созданию машины, которая действительно изменит наши представления о вычислениях.