Каждый год технологические гиганты обещают, что совсем скоро мир увидит «настоящий» квантовый компьютер. Но в большинстве случаев речь идет о лабораторных прототипах или узкоспециализированных устройствах. IBM решила выйти из этой гонки с громким заявлением: к 2029 году она построит полноценный квантовый компьютер, устойчивый к ошибкам. Название этой машины — Starling.
Машину установят в дата-центре в Нью-Йорке, а доступ к ней получат ученые из университетов и промышленных компаний. По словам Джея Гамбетты, ведущего исследователя IBM, команда уже собрала все ключевые компоненты, чтобы Starling заработал.
Мир квантовых вычислений долгие годы балансировал на грани фантастики и реальности. В отличие от классических компьютеров, оперирующих битами (нулями и единицами), квантовые компьютеры используют кубиты. Кубиты обладают уникальным свойством суперпозиции — они могут находиться в состоянии 0 и 1 одновременно — и квантовой запутанности, когда состояния кубитов взаимосвязаны. Это теоретически дает им колоссальную вычислительную мощь для решения определенных классов задач.
Однако путь к практической полезности оказался тернист. Главный враг квантовых вычислений — ошибки. Квантовые состояния невероятно хрупки. Любое вмешательство извне — тепло, электромагнитные поля, даже космические лучи — может разрушить хрупкую квантовую информацию и исказить вычисления.
Статья по теме: Создана первая операционная система для квантовых сетей
Чем больше кубитов в системе, тем сложнее контролировать эти ошибки. До сих пор попытки использовать квантовые системы для решения реальных задач, непосильных классическим суперкомпьютерам, часто терпели неудачу именно из-за этих помех.
Компании вроде IBM уже создали целый парк квантовых машин, доступных через облако, но создание компьютера, способного надежно и безошибочно решать сложные практические задачи, оставалось главной нерешенной проблемой и целью гонки технологий.
Устройство под названием Starling будет не просто мощным — оно станет «отказоустойчивым». Это означает, что компьютер сможет автоматически обнаруживать и исправлять возникающие в процессе работы ошибки, обеспечивая надежность вычислений, необходимую для решения реальных сложных задач.
Статья по теме: Американские военные запустили инициативу по поиску лучшего квантового компьютера
Сердце Starling, как и многих современных квантовых компьютеров IBM, составят сверхпроводящие кубиты. Однако для достижения беспрецедентного масштаба и отказоустойчивости IBM делает ставку на две фундаментальные инновации в аппаратном обеспечении.
Первая инновация — революционная система соединений между кубитами. Раньше кубиты могли эффективно взаимодействовать только с ближайшими соседями на одном чипе. Starling преодолеет это ограничение. Каждый кубит будет интегрирован в чип, но инженеры IBM создали новое оборудование для связи кубитов внутри одного чипа и, что критически важно, для высокоскоростной связи кубитов между разными чипами. Эта технология позволит объединить десятки тысяч физических кубитов в единую вычислительную систему, что на порядки превышает возможности сегодняшних квантовых процессоров с их скромными сотнями кубитов (рекорд — около 1000 физических кубит).
Вторая ключевая инновация — новый метод построения «логических кубитов». Именно они — краеугольный камень отказоустойчивости. Логический кубит — это не один физический кубит, а группа, работающая вместе как единый, надежный вычислительный блок. Информация кодируется и распределяется между ними так, что ошибки на отдельных физических кубитах можно обнаружить и исправить, не прерывая вычисления. Это похоже на создание резервной копии данных в режиме реального времени.
Starling будет использовать около 200 таких логических кубитов. Для сравнения, текущий рекорд в 50 логических кубитов принадлежит компании Quantinuum.
Статья по теме: Физики превратили свет в квантовую «сверхтвердую» материю
Но IBM идет дальше. Компания применит для создания логических кубитов не стандартный подход, а так называемый LDPC-код (Low-Density Parity-Check code). В компании отметили, что еще недавно использование LDPC в квантовых вычислениях казалось «несбыточной мечтой». Однако команде IBM удалось разработать важнейшие детали для его практической реализации в сверхпроводящей архитектуре.
Главное преимущество LDPC-подхода — эффективность. Он позволяет создать один логический кубит, используя меньше физических кубитов, чем требуют конкурирующие методы. По заверениям ученых, это прорыв. Значит, достичь уровня отказоустойчивости, необходимого для практических вычислений, можно будет на системах меньшего физического размера и раньше, чем предполагали пессимистичные прогнозы.
Эксперты признают амбициозность планов IBM, но и отмечают масштаб вызова.
«IBM уже несколько лет успешно задает высокую планку в квантовых технологиях и достигает впечатляющих результатов. За последние пять с лишним лет они внедрили множество инноваций и улучшений. Но Starling — это настоящий скачок», — поделился своим мнением программист Стивен Бартлетт из Сиднейского университета (Австралия).
Он подчеркнул, что IBM для своего нового суперкомпьютера Starling выбрала два очень смелых и новых решения, которые ранее компания никогда не использовала в своих квантовых компьютерах. Иными словами, в компании отбросили свои старые, надежные технологии и сделали ставку на совершенно новые идеи. Это рискованно, но если сработает — будет огромный прорыв.
Статья по теме: В Китае создали ИИ-чип размером с песчинку, который использует свет для декодирования данных
Американский инженер Мэтью Оттен из Висконсинского университета в Мэдисоне отметил, что теория LDPC-кодов для квантовых вычислений активно развивалась лишь в последние несколько лет.
«План IBM настолько подробный, что превращает мечту в реальный проект, который можно разобрать по винтикам, проверить на „вшивость“ и заранее понять, где могут быть подводные камни и чем придется пожертвовать ради успеха. Это очень важно, так как помогает исследователям выявить возможные узкие места и практические компромиссы», — поделился своим мнением Оттен.
Один из таких компромиссов — скорость. По словам Оттена, Starling, возможно, будет работать медленнее, чем существующие сверхпроводящие квантовые компьютеры. Однако масштаб Starling открывает двери для решения задач, недоступных сегодня.
Оттен привел пример фармацевтической промышленности:
«Моделирование небольшой молекулы или белка на таком квантовом компьютере, как Starling, потенциально может заменить дорогостоящий и трудоемкий экспериментальный этап в процессе разработки лекарств».
Отметим, IBM не единственный игрок на поле квантовых суперкомпьютеров. Гонка технологий набирает обороты. Компания Quantinuum также анонсировала планы по созданию отказоустойчивой квантовой машины к 2029 году. Амбициозный стартап PsiQuantum вообще нацелен на аналогичный результат уже к 2028 году.
Обещание IBM — не просто громкий анонс. Это детальный план, подкрепленный конкретными технологическими решениями, цель которого — преодолеть главное препятствие на пути квантовых вычислений из лабораторий в реальный мир: проблему ошибок. Если Starling появится в нью-йоркском дата-центре в 2029 году так, как его задумали, это станет не просто победой IBM, а поворотным моментом для всей вычислительной науки, открывающим двери для революционных открытий в химии, материаловедении, фармакологии и других областях.
Характеристиками машины Starling представлены в работе, опубликованной на сайте электронного архива научных статей и их препринтов arXiv.org.