IBM połączył w jedną całość dwa moduły kriogeniczne, schładzając je do temperatury poniżej 15 milikelwinów. To infrastruktura, na której firma chce oprzeć swój system Starling, planowany na 2029 rok.
IBM ogłosił niedawno połączenie dwóch opracowanych przez siebie komór kriogenicznych w jedno środowisko oraz osiągnięcie przez nie ustalonej temperatury roboczej. Cały zestaw ma ponad 2,4 metra wysokości i szerokości, a jego konstrukcja jest modułowa, co pozwala na dodawanie kolejnych elementów w rzędzie.
Próżniowa obudowa zapewnia nawet 12 razy więcej miejsca na okablowanie w porównaniu do najczęściej używanych obecnie systemów kwantowych. Na chwilę obecną wiadomo, że układ utrzymywania ekstremalnie niskiej temperatury działa, co jest kluczowe dla poprawnego funkcjonowania systemów kwantowych. IBM musi teraz udowodnić, że procesory w takich komorach potrafią wykonywać skomplikowane i, co najważniejsze, poprawne obliczenia.
Komputer kwantowy: inne zasady, brutalna fizyka
Nadprzewodnikowe kubity są niezwykle wrażliwe na ciepło, promieniowanie elektromagnetyczne i wszelkie zakłócenia, które mogą zniszczyć przechowywaną informację. Z tego powodu systemy IBM muszą działać w temperaturze poniżej 15 milikelwinów, co jest ledwie 0,015 stopnia powyżej zera absolutnego. Istnieje jednak problem: w pojedynczym układzie jesteśmy w stanie zmieścić ograniczoną liczbę kubitów oraz połączeń niezbędnych do przeprowadzania obliczeń kwantowych. Budowa jednego dużego modułu chłodniczego byłaby bezcelowa z punktu widzenia energetycznego i użytkowego. Komplikowałoby to również serwis, wymianę procesorów oraz rozwój i tuning systemu bez przerywania jego pracy, co jest zupełnie inne w porównaniu do komputerów klasycznych.
A co, gdybyśmy podzielili jeden duży układ na mniejsze, autonomicznie rozwijane moduły? IBM postanowił podejść do tego właśnie w ten sposób, wykorzystując sprężarki z helem i systemy chłodzenia z rozcieńczalnikiem. W celu ochrony wnętrza przed ciepłem oraz zakłóceniami zastosowano próżnię, uszczelnienia elektromagnetyczne oraz wielowarstwowe osłony z Mylaru. Moduły schłodziły się do około 4 kelwinów powyżej zera absolutnego w mniej niż pięć dni, a następnie osiągnęły wartość poniżej 15 milikelwinów: to dwieście razy mniej niż w głębokim kosmosie. Utrzymano także użyteczność: wybrane elementy można serwisować, badać i wymieniać bez konieczności przerywania pracy całej instalacji, na co pozwala modułowość.
Metr kabla i dwa oddzielne procesory kwantowe
W tym układzie wykorzystano tzw. L-couplery, czyli nadprzewodzące przewody mikrofalowe o długości do około jednego metra. W obrębie pojedynczego systemu krótkie sprzęgacze łączą kubity, co pozwala im na splatanie i wykonywanie operacji dwukubitowych. IBM planuje przenieść podobny mechanizm poza wnętrza chipów oraz ostatecznie połączyć osobne moduły kriogeniczne. Te łącza mają być rozwiązaniem na potrzeby zwiększenia skali bez problemów wynikających z budowy większych komór kriogenicznych.
Jak do tej pory IBM udowodnił, że chłodzenie w takim układzie działa i możliwe jest połączenie dwóch modułów. Na tę okazję przeprowadzono proste próby z procesorem Flamingo, lecz nie wykonano w takiej konfiguracji złożonych operacji involving two chambers. Kolejnym krokiem będzie instalacja procesorów Nighthawk i rozszerzenie testów na całą platformę. L-couplery mają połączyć kilka procesorów w 2027 roku w system liczący co najmniej 1000 programowalnych kubitów.
Celem jest Starling. Tu powinny być zwrócone oczy całego świata
Możliwość zwiększenia liczby kubitów nie stanowi dużego problemu, jednak największym wyzwaniem jest kontrola błędów przez wystarczająco długi czas. Korekcja błędów rozkłada informację jednego odporniejszego kubitu logicznego na grupę kubitów fizycznych, których stan jest nieustannie monitorowany i, w razie potrzeby, korygowany. IBM, zgodnie z dotychczasowym harmonogramem, ustalił, że Starling będzie działać na 200 kubitach logicznych i obsługiwać obwody obejmujące 100 milionów bramek kwantowych. Ta skala ma zapewnić znaczący wzrost dokładności i celności obliczeń w chemii, materiałoznawstwie oraz fizyce, ponieważ obecne maszyny nie są wystarczająco potężne i, co gorsza, są podatne na trudne do kontrolowania błędy.
Czytaj również: To pierwszy raz, gdy komputer kwantowy osiągnął taki wynik. Czy znaleziono Święty Graal?
Wszystko to ma się zrealizować w 2029 roku, jednak jest to jedynie roadmapa. Zanim Starling w ogóle powstanie, firma musi wykazać m.in. splątanie i przeprowadzanie obliczeń między modułami, korekcję błędów w czasie rzeczywistym oraz stabilność milionów kolejnych operacji. IBM może jednak nie być pierwszą firmą, która zrealizuje to zadanie, ponieważ inni producenci pracują nad komputerami odpornymi na błędy, wykorzystując zarówno kubity nadprzewodzące, jak i inne platformy sprzętowe. „Lodówki” od IBM stanowią świetny pomysł na ominięcie jednego z kluczowych problemów informatyki kwantowej w kontekście skali. Niemniej jednak, pozostałe wyzwania wciąż czekają na rozwiązanie, a czas pokaże, kiedy inne firmy przezwyciężą te istotne ograniczenia.