IBM yhdisti kaksi kryogeenistä moduulia – askel kohti vikasietoista kvanttilaskentaa

IBM kertoo yhdistäneensä kaksi modulaarista kryogeenistä järjestelmää ja jäähdyttäneensä ne yhdeksi erittäin kylmäksi ympäristöksi. Yhtiön mukaan demonstraatio luo perustaa arkkitehtuurille, jossa satoja kvanttisiruja voidaan yhdistää ilman, että koko järjestelmää varten tarvitaan yksi jatkuvasti suuremmaksi kasvava jäähdytyslaitteisto.

Kvanttitietokoneiden skaalaaminen ei tarkoita vain kubittien määrän kasvattamista. Prosessorien on toimittava yhteisessä kryogeenisessä ympäristössä, niiden ohjaamiseen ja mittaamiseen tarvitaan huomattavasti enemmän johdotuksia ja eri moduulien välisten yhteyksien on oltava riittävän luotettavia.

Mitä IBM demonstroi?

Kaksi moduulia saavutti lähteiden mukaan alle 15 millikelvinin lämpötilan sen jälkeen, kun järjestelmä oli jäähtynyt 4 kelviniin alle viidessä päivässä. Näissä lämpötiloissa laitteisto voi tarjota suprajohtaville kvanttiprosessoreille tarvittavat toimintaolosuhteet.

IBM kuvaa yhdistettyä järjestelmää modulaariseksi arkkitehtuuriksi, jota voidaan laajentaa uusilla kvanttiprosessoreilla. Tavoitteena on yhteinen erittäin kylmä ympäristö, johon voitaisiin liittää satoja kvanttisiruja ja siten rakentaa suurempi kvanttitietokone.

Saatavilla olevat lähteet eivät vahvista järjestelmän tarkkoja yhteismittoja eivätkä yksityiskohtaista laatikkomaista rakennetta riippumattomasti. Näitä tietoja on siksi pidettävä vahvistamattomina, ei nyt demonstroidun tuloksen ominaisuuksina.

Miksi modulaarinen jäähdytys on tärkeää?

Perinteinen tapa kasvattaa kvanttitietokonetta voisi tarkoittaa yhä suuremman kryostaatin eli erittäin mataliin lämpötiloihin jäähdyttävän laitteen rakentamista yhden järjestelmän ympärille. IBM:n lähestymistavassa jäähdytin ja sitä tukeva laitteisto koostuvat sen sijaan toistettavista moduuleista, jotka voidaan liittää toisiinsa.

Ratkaisulla pyritään vastaamaan käytännön pullonkaulaan: suuremmat kvanttijärjestelmät tarvitsevat enemmän ohjaus- ja mittausjohtoja sekä tilaa prosessorit yhdistäville komponenteille. IBM ja hankkeesta kertoneet julkaisut kuvaavat uuden arkkitehtuurin lisäävän johdotuskapasiteettia ja tarjoavan reitin huomattavasti useampien prosessorien yhdistämiseen.

Tulos ei kuitenkaan tarkoita, että valmis suuren mittakaavan kvanttitietokone olisi jo rakennettu. Demonstraatio koskee yhtä sen tarvitsemasta infrastruktuurin osasta. Prosessorien suorituskyvyn, virheenkorjauksen, ohjelmistojen ja koko järjestelmän luotettavuuden on edelleen kehityttävä yhdessä.

L-couplerit yhdistävät moduuleja

IBM:n L-couplerit ovat mikroaaltotaajuuksilla toimivia moduulien välisiä yhteyksiä. Niiden tarkoitus on mahdollistaa laskenta sirujen, moduulien ja järjestelmien välillä. IBM:n mukaan tekniikka voi laajentaa monen QPU:n järjestelmien käsittelykapasiteettia ja myöhemmin tukea vikasietoisia arkkitehtuureja.

Käytännössä couplerit on suunniteltu siihen, että erilliset kvanttiprosessorit voivat toimia suuremman kokonaisuuden osina eivätkä vain toisistaan erillisinä laitteina. Tämä yhteyskerros on olennainen, jotta modulaarinen kryogeeninen laitteisto voisi johtaa hyödylliseen hajautettuun kvanttilaskentaan.

Miten saavutus liittyy IBM:n vuoden 2029 tavoitteeseen?

IBM asemoi kryogeenisen demonstraation askeleeksi kohti Quantum Starlingia, yhtiön vuodelle 2029 suunnittelemaa suuren mittakaavan vikasietoista kvanttitietokonetta. IBM:n tiekartan mukaan Starlingin olisi määrä pystyä suorittamaan piirejä, joissa on 100 miljoonaa kvanttiporttia ja 200 loogista kubittia.

Tiekartta ei perustu pelkkään jäähdytykseen. IBM tarvitsee modulaarisia prosessoreita, suuren kapasiteetin johdotuksia, moduulien välistä viestintää ja virheenkorjausmenetelmiä, joiden on toimittava yhtenä järjestelmänä. Yhdistetyt kryogeeniset moduulit vastaavat fyysisen infrastruktuurin tarpeeseen sijoittaa useampia prosessoreita yhteiseen ympäristöön, kun taas L-couplerit vastaavat moduulien välisestä viestinnästä.

Yhden raportin mukaan IBM tavoittelee myös vähintään 1 000 ohjelmoitavaa kubittia vuoteen 2027 mennessä. Kyseessä on tulevaisuuden välitavoite, ei tämän kahden moduulin jäähdytysdemonstraation tulos. Käytettävissä oleva näyttö ei vahvista riippumattomasti Quantum Nighthawk -prosessorien asennuksen tarkkaa aikataulua, joten väitettä niiden asentamisesta myöhemmin tänä vuonna ei voida tässä todentaa.

Mitä ilmoitus osoittaa – ja mitä ei?

Ilmoitus osoittaa merkittävän modulaarisen jäähdytyksen ja yhteystekniikan virstanpylvään:

• Demonstroitu: kaksi kryogeenistä moduulia yhdistettiin ja jäähdytettiin yhtenä ympäristönä.
• Raportoitu suorituskyky: lämpötila laski alle 15 millikelviniin, ja 4 kelviniin päästiin alle viidessä päivässä.
• Tavoiteltu mittakaava: yhteinen arkkitehtuuri, jolla voitaisiin yhdistää satoja kvanttisiruja.
• Mahdollistava tekniikka: L-couplerit, joiden avulla viestintä sirujen, moduulien ja järjestelmien välillä on tarkoitus toteuttaa.
• Ei vielä demonstroitu: vikasietoinen kvanttitietokone, laajamittainen loogisten kubittien suorituskyky tai koko virheenkorjausketju.

Saavutuksen keskeinen merkitys on arkkitehtuurissa. IBM pyrkii tekemään kvanttilaitteistosta skaalautuvaa yhdistämällä modulaarisia kryogeenisiä järjestelmiä sen sijaan, että jokainen suurempi kone rakennettaisiin yhden ainutkertaisen jäähdyttimen ympärille. Jos yhtiö pystyy yhdistämään tämän infrastruktuurin luotettavaan virheenkorjaukseen ja suorituskykyisiin prosessoreihin, demonstraatio voi muodostua tärkeäksi askeleeksi kohti Quantum Starlingia. Toistaiseksi sitä on kuitenkin perustelluinta pitää välttämättömänä teknisenä virstanpylväänä – ei vielä määränpäänä.