IBM lansează procesoare de peste 1.000 de qubit, foaie de parcurs pentru corectarea erorilor

Luni, IBM a anunțat că a produs cele două sisteme cuantice pe care foaia sa de parcurs le planificase să fie lansate în 2023. Unul dintre acestea se bazează pe un cip numit Condor, care este cel mai mare procesor cuantic bazat pe transmoni lansat până acum, cu 1.121 de qubiți funcționali. . Al doilea se bazează pe o combinație de trei jetoane Heron, fiecare dintre ele având 133 de qubiți. Cipurile mai mici precum Heron și succesorul său, Flamingo, vor juca un rol critic în foaia de parcurs cuantică a IBM, care a primit și o actualizare majoră astăzi.

Pe baza actualizării, IBM va avea qubiți corectați de eroare care funcționează până la sfârșitul deceniului, activați de îmbunătățirile aduse qubiților individuali pe parcursul mai multor iterații ale cipul Flamingo. În timp ce aceste sisteme probabil nu vor pune în pericol lucruri precum schemele de criptare existente, ele ar trebui să poată executa în mod fiabil algoritmi cuantici care sunt mult mai complexi decât orice putem face astăzi.

Am vorbit cu Jay Gambetta de la IBM despre tot ceea ce compania anunță astăzi, inclusiv procesoarele existente, foile de parcurs viitoare, pentru ce ar putea fi folosite mașinile în următorii câțiva ani și software-ul care face totul posibil. Dar pentru a înțelege ce face compania, trebuie să ne întoarcem puțin pentru a vedea unde se mișcă domeniul în ansamblu.

Qubiți și qubiți logici

Aproape fiecare aspect al lucrului cu un qubit este predispus la erori. Setarea stării sale inițiale, menținerea acelei stări, efectuarea operațiilor și citirea stării pot introduce erori care vor împiedica algoritmii cuantici să producă rezultate utile. Deci, un obiectiv major al fiecărei companii care produce hardware cuantic a fost limitarea acestor erori și s-au făcut pași mari în acest sens.

Există unele indicii că acele pași ne-au dus acum în punctul în care este posibil executați niște algoritmi cuantici mai simpli pe hardware-ul existent. Și este probabil ca acest potențial să se extindă la alți algoritmi datorită îmbunătățirilor la care probabil ne putem aștepta în următorii câțiva ani.

Pe termen lung, totuși, este puțin probabil să ajungem vreodată hardware-ului qubit până la punctul în care rata de eroare este suficient de scăzută încât un procesor ar putea finaliza cu succes un algoritm complex care ar putea necesita miliarde de operațiuni în ore de calcul. Pentru asta, se recunoaște în general că vom avea nevoie de qubiți corectați de erori. Acestea implică răspândirea informațiilor cuantice deținute de un qubit – denumit „qubit logic” – peste mai mulți qubiți hardware. Qubiții suplimentari sunt utilizați pentru a monitoriza qubitul logic pentru erori și pentru a permite corectarea acestora.

Calculul folosind qubiți logici necesită două lucruri. Unul este că ratele de eroare ale qubiților hardware individuali trebuie să fie suficient de scăzute pentru ca erorile individuale să poată fi identificate și corectate înainte ca altele noi să aibă loc. (Există unele indicii că hardware-ul este suficient de bun pentru ca acest lucru să funcționeze cu eficiență parțială.) Al doilea lucru de care aveți nevoie este o mulțime de qubiți hardware, deoarece fiecare qubit logic necesită mai mulți qubiți hardware pentru a funcționa. Unele estimări sugerează că vom avea nevoie de un milion de qubiți hardware pentru a crea o mașină capabilă să găzduiască un număr util de qubiți logici.

IBM spune acum că se așteaptă să aibă un număr util de qubiți logici până la sfârșitul deceniului, iar Gambetta a explicat cum se încadrează anunțurile de astăzi în această foaie de parcurs.

Qubits și porți

Gambetta a spus că compania a adoptat o abordare pe două căi pentru a-și pregăti hardware-ul. Un aspect al acestui lucru a fost dezvoltarea capacității de a fabrica constant qubiți de înaltă calitate în număr mare. Și a spus că Condorul de peste 1.000 de qubit este un indiciu că compania este într-o formă bună în acest sens. „Sunt cu aproximativ 50% mai mici qubiți”, a spus Gambetta pentru Ars. „Randamentul este chiar acolo – avem randamentul aproape de 100 la sută”.

Al doilea aspect la care a lucrat IBM este limitarea erorilor care apar atunci când operațiunile sunt efectuate pe individual sau perechi de qubiți. Aceste operațiuni, numite porți, pot fi ele însele predispuse la erori. Și schimbarea stării unui qubit poate produce semnale subtile care pot curge în qubitii vecini, un fenomen numit diafonie. Heron, cel mai mic dintre noile procesoare, reprezintă un efort de patru ani pentru a îmbunătăți performanța porții. „Este un dispozitiv frumos”, a spus Gambetta. „Este de cinci ori mai bun decât dispozitivele anterioare, erorile sunt mult mai puține, [and] diafonia nu poate fi cu adevărat măsurată”.

Multe dintre îmbunătățiri se reduc la introducerea cuplelor reglabile la qubiți, o schimbare față de hardware-ul cu frecvență fixă ​​pe care compania îl folosea anterior. Acest lucru a accelerat toate operațiunile porților, unii văzând un impuls de 10 ori. Cu cât petreci mai puțin timp făcând ceva cu un qubit, cu atât mai puține sunt șansele ca erorile să apară.

Multe dintre aceste îmbunătățiri au fost testat pe mai multe iterații a cipului Eagle al companiei, care a fost introdus pentru prima dată în 2021. Noua foaie de parcurs a companiei va vedea o iterație îmbunătățită a Heron de 133 de qubiți lansat anul viitor, care va permite operațiuni de 5.000 de porți. Aceasta va fi urmată de mai multe iterații ale procesorului Flamingo de 156 de qubiți de anul viitor, care va duce operațiunile la poartă până la 15.000 până în 2028.

Aceste cipuri vor fi, de asemenea, legate între ele în procesoare mai mari, cum ar fi Crossbill și Kookaburra, care apar și pe foaia de parcurs IBM (de exemplu, șapte Flamingo ar putea fi conectate pentru a crea un procesor cu un număr de qubiți similar cu actualul Condor). Accentul aici se va pune pe testarea diferitelor mijloace de conectare a qubiților, atât în ​​interiorul, cât și între cipuri.