Как Цапля обошла Кондора: почему квантовый процессор на 133 кубита мощнее чипа на 1121 кубит

Думая о классическом кремниевом чипе, вы, скорее всего, представите небольшой квадрат или прямоугольник, распаянный на материнской плате или вставленный в отдельный слот. Для квантовых систем нет устоявшегося форм-фактора — многое зависит от квантового принципа, на котором они построены. Квантовой системой может быть целая комната с проводами, лазерами и насосами. Или огромная установка с магнитами, работающая на основе ядерно-магнитного резонанса.

Однако существуют квантовые чипы, максимально приближенные к классическим процессорам, на которых работают наши ноутбуки, ПК и смартфоны. Это так называемые сверхпроводящие процессоры, или процессоры на сверхпроводниках. Компания IBM как раз работает с таким видом чипов. Также, например, производством подобных процессоров планируют заниматься инженеры МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова». 18 марта этого года они объявили об открытии первого в России контрактного производства сверхпроводниковых квантовых процессоров на 100-мм пластинах.

«Особенность технологии в том, что в качестве кванта используется особое поведение пар электронов, или куперовских пар. Электроны объединяются в такие пары при низких температурах. Будучи помещенными в такую микроячейку их можно передвигать из одного положения в другое. В зависимости от того, в какой части микроячейки они находятся, возникает условный ноль или единица. Плюсы такой системы в том, что для оперирования квантами не нужны сложные установки. Ее можно расположить на схеме небольшой площади», — рассказывает Михаил Захаров.

Саму квантовую систему образует именно взаимодействие микроячеек: как они расположены, в чем особенности управляющего сигнала, как ячейки объединены друг с другом. Сама по себе ячейка без организации запутанных состояний ничего не дает.

В отличие от классического чипа, в квантовых процессорах есть некая стандартная топология, основанная на физических и математических законах. Классическое вычисление в процессорах построено на том, что есть последовательность команд, конвейер, который отвечает за очередь выполнения этих команд, локальная память. И если классические вычисления — это последовательное, потактовое приведение к результату, то квантовые вычисления — это больше про одномоментное вычисление «по щелчку пальцев», без конвейерной логики.

«Квантовые системы можно сравнить с управлением марионетками. Сначала к конечностям куклы привязывают ниточки, а потом тянут за них, чтобы заставить ее двигаться. Квантовые вычисления похожи на этот процесс: в топологию процессора закладывается определенная логика (привязывание ниточек), а затем запускается вычисление (тянем за нитки). Итоговое положение марионетки — это результат вычисления», — отмечает Михаил Захаров.

Все участники «квантового движения» — коммерческие компании и исследовательские центры, по сути, находятся именно в поиске того самого максимально эффективного расположения «ниток» на сложных «марионетках», которые представляют собой кубиты. И путь этого поиска у всех разный.

Так, в процессоре Condor, содержащем более 1000 сверхпроводящих кубитов, инженерам IBM удалось увеличить их плотность на 50%. Благодаря расположению в виде сот и технологии кросс-резонансных вентилей (gates) — методу организации взаимодействия между кубитами в квантовой цепи. Что, как мы уже выяснили, является критичным для сложных квантовых операций.

Утверждение абсолютно применимо к технологиям квантовых вычислений. Как некогда количество ядер классического процессора перестало напрямую влиять на его производительность, так и рост числа кубитов не равно увеличению мощности квантовой системы.

К марионетке можно привязать тысячу ниточек, но без оптимизации их «подергиваний» мы получим разрывы и компульсивное движение нашей куклы — неудовлетворительному результату. Мало увеличить количество кубитов — параллельно нужно сокращать число ошибок их взаимодействия. Именно эти два фактора составляют квантовый объем процессора — понятие, которое мы рассматривали в этом посте.

В этом разрезе производительность многокубитного Condor можно сравнить с предыдущим квантовым процессором IBM — Osprey (Скопа) на 433 кубита, выпущенным в 2022 году. И тем более Condor сильно отстает от Heron, где кубитов еще меньше — всего 133. По данным IBM, Цапля «обскакала» хищного Кодора по частоте ошибок в 5 раз. И именно Heron, а точнее три таких квантовых процессора, составили собой новый модульный квантовый компьютер IBM Quantum System Two, размещенный в Йорктаун-Хайтс, штат Нью-Йорк.

Значит ли это, что Condor — «проходная» разработка, не влияющая на развитие квантовых технологий? Совсем нет. По словам научного сотрудника по технологиям квантовых процессоров IBM Маттиаса Штеффена, помимо архитектурного вызова по размещению такого количества кубит на чипе, инженеры также решили много технических проблем, связанных с охлаждением чипа.

Для поддержки Condor задействовано более 1,6 км криогенных высокоплотных кабелей, чтобы поддерживать низкую температуру, необходимую для работы кубитов. Все это найдет воплощение в следующих проектах компании, обозначенных в дорожной карте IBM, — например, 156-кубитного процессора Flamingo, запуск которого назначен на этот год.

«Сейчас считается, что применимые в реальных задачах квантовые процессоры мы получим, когда в стабильной системе с низким количеством ошибок будет несколько тысяч кубитов — примерно до 4 000», — делится Михаил Захаров.

Самое интересное в так называемой «квантовой гонке» то, что пока в ней нет победителей и явных фаворитов. Какие-то компании стремятся получить многокубитную систему. Другие — реализовать небольшую, но отлично работающую систему на небольшое число кубитов или разработать алгоритм для существенного сокращения числа ошибок в квантовых системах. И лишь будущее рассудит, какая тактика в итоге приведет к повсеместному распространению квантовых систем.

«Совершенно уверен, что пользовательских устройств, полностью работающих на квантовых процессорах, мы не увидим в перспективе 100−200 лет. А может, не увидим вообще. Есть более реалистичный сценарий будущего: классические кремниевые процессоры с интеграцией квантового модуля, который будет выполнять определенные вычисления, по запущенному алгоритму. Между процессорами разной природы будет фреймворк, когда команда с классического чипа вызывает код, который работает на квантовом „модуле“. Вот такие системы мы, возможно, увидим с вами в ближайшие несколько десятилетий», — заключает Михаил Захаров.