Komputery kwantowe: IBM walczy z błędami, Intel stawia na hybrydę

Komercyjny komputer kwantowy nie powstanie wyłącznie przez dokładanie kolejnych kubitów. System musi ograniczać błędy, pomieścić coraz większą liczbę połączeń sterujących i odczytowych w ekstremalnie niskiej temperaturze, a w końcu rozwiązać problem wystarczająco lepiej od komputerów klasycznych, by ktoś chciał za to zapłacić.

IBM i Intel pracują nad różnymi częściami tej układanki. IBM łączy krótkoterminowe łagodzenie błędów z modułową architekturą nadprzewodzącą. Intel rozwija sprzęt oparty na krzemowych kubitach spinowych i zakłada, że procesor kwantowy będzie wyspecjalizowanym akceleratorem współpracującym z CPU oraz GPU.

IBM: wykryć błędy, które widać, a pozostałe osłabić statystycznie

IBM nazywa swoją metodę spacetime probabilistic error cancellation — w skrócie spacetime PEC. Nie jest to deklaracja, że firma umie już skorygować każdy błąd kwantowy. To połączenie dwóch technik ograniczania jego skutków.

Najpierw warstwa wykrywania błędów, oparta na tzw. kodach czasoprzestrzennych, wykorzystuje dodatkowe kubity i testy rozłożone zarówno wśród kubitów układu, jak i kolejnych etapów obwodu. Pomiary, które nie przechodzą tych testów, są oznaczane jako wadliwe i odrzucane w procedurze postselekcji. Następnie IBM stosuje probabilistyczne kasowanie błędów (PEC), aby oszacować i statystycznie skompensować błędy niewykryte wcześniej. PEC polega na próbkowaniu zmodyfikowanych wariantów obwodu i łączeniu wyników z użyciem ważonych estymat.

To ważne rozróżnienie: mowa o łagodzeniu błędów, a nie o odpornej na błędy, pełnej kwantowej korekcji błędów. Metoda może poprawić oszacowanie wyniku uzyskanego na zaszumionym procesorze, ale nie zmienia obecnych kubitów fizycznych w niezawodne kubity logiczne, które mogłyby działać dowolnie długo.

Test na ibm_aachen i co naprawdę oznacza wynik 63×

Badacze przetestowali połączoną metodę na nadprzewodzącym procesorze IBM ibm_aachen, symulując model Isinga w poprzecznym polu. Preprint podaje, że protokół odtwarzał średnią magnetyzację w granicach niepewności statystycznej do sześciu kroków Trottera, a szacowany narzut próbkowania był nawet 63 razy mniejszy niż przy samym PEC bez postselekcji.

To istotny, lecz precyzyjnie ograniczony wynik. Liczba 63× dotyczy porównania oszacowanego kosztu próbkowania w tym eksperymencie — nie oznacza 63-krotnego skrócenia całkowitego czasu działania ani uniwersalnego przyspieszenia obliczeń kwantowych. Postselekcja z definicji odrzuca część pomiarów, a PEC nadal wymaga wystarczająco dobrego modelu szumu, by statystyczna kompensacja zadziałała. Ponadto rezultat opublikowano jako preprint w serwisie arXiv, a nie jako zrecenzowaną demonstrację szerokiego, odpornego na błędy przetwarzania kwantowego.

W praktyce jest to obiecujący etap pośredni: wykrywać usterki, które da się jednoznacznie rozpoznać, usuwać takie przebiegi z danych, a kosztowną redukcję błędów stosować wobec tego, co pozostało. Może to wydłużyć zakres użytecznych obliczeń na dzisiejszym, niedoskonałym sprzęcie, ale nie usuwa potrzeby aktywnej korekcji błędów i kubitów logicznych w dłuższej perspektywie.

Dlaczego IBM przeprojektowuje „lodówkę” kwantową

W nadprzewodzących procesorach kwantowych chłodzenie jest jednocześnie problemem architektury całego systemu. Każdy kubit wymaga połączeń do sterowania i odczytu. Wraz ze wzrostem liczby procesorów w klasycznych urządzeniach kriogenicznych rośnie trudność upakowania przewodów oraz interkonektów.

IBM połączył dwie skrzynkowe komory kriogeniczne w jedno środowisko pracy, schłodzone poniżej 15 milikelwinów. Moduły łączy tunel z osłoną termiczną, przez który poprowadzono kwantowe okablowanie. Każda komora korzysta ze sprawdzonej technologii chłodzenia rozcieńczalnikowego, ale jej skrzynkowa forma ma pozwolić ustawiać moduły obok siebie i uzyskać znacznie więcej miejsca na przewody oraz połączenia między układami. IBM deklaruje, że obudowa próżniowa każdego modułu oferuje do 12 razy więcej przestrzeni na okablowanie niż jej szeroko stosowane systemy kwantowe.

Znaczenie komercyjne tkwi w architekturze. Zamiast próbować bez końca powiększać pojedynczy procesor w jednej, ograniczonej „lodówce”, IBM chce łączyć procesory krótkimi i chronionymi interkonektami. Taki model mógłby ułatwić zwiększanie mocy obliczeniowej przy mniejszej złożoności trasowania połączeń niż w przypadku długich przewodów zewnętrznych.

Nighthawk, 1 000 programowalnych kubitów i Starling

W kolejnym etapie IBM zamierza instalować procesory Nighthawk w systemach modułowych, by testować tę architekturę. Mapa drogowa firmy zakłada co najmniej 1 000 programowalnych kubitów w połączonych procesorach do 2027 roku oraz planowany, odporny na błędy system IBM Quantum Starling w 2029 roku. 1718

Są to cele z mapy drogowej, a nie dostarczone dziś możliwości. Pokazują jednak, że IBM traktuje obsługę błędów, modułowy sprzęt, interkonekty, okablowanie i kriogenikę jako jeden problem skalowania, a nie zestaw niezależnych projektów.

Intel: krzemowe kubity i hybrydowy stos obliczeniowy

Prezes Intela Lip-Bu Tan przedstawił procesory kwantowe jako trzecią klasę sprzętu obliczeniowego, która w wybranych zastosowaniach ma pracować obok CPU i GPU. W tym modelu klasyczne procesory i akceleratory zajmują się koordynacją zadań oraz zwykłymi obliczeniami, natomiast procesor kwantowy jest wykorzystywany wyłącznie tam, gdzie algorytm kwantowy może przynieść realną korzyść. 5

To bardziej ograniczona propozycja niż wizja zastąpienia tradycyjnych komputerów — i prawdopodobnie bardziej realistyczna. Użyteczny proces kwantowy musiałby uzasadnić dodatkową złożoność sprzętu, oprogramowania i eksploatacji w porównaniu z szybko rozwijającymi się systemami HPC oraz AI.

Tunnel Falls: badawcza platforma z krzemowymi kubitami spinowymi

Tunnel Falls Intela to 12-kubitowy procesor kwantowy z krzemowymi kubitami spinowymi, udostępniany społeczności badawczej. Jego zadaniem jest wspieranie badań nad pracą kubitów, ich charakteryzacją, produkcją i skalowaniem z wykorzystaniem metod właściwych dla przemysłu półprzewodnikowego. Intel określa go jako krok w stronę pełnostosowego, komercyjnego systemu kwantowego, a nie gotowy produkt komercyjny.

Strategiczna atrakcyjność kubitów spinowych w krzemie wynika z potencjalnej wytwarzalności: jeśli technologia dojrzeje, może skorzystać z metod i dyscypliny procesowej rozwiniętych przez produkcję zwykłych układów scalonych. Tunnel Falls pozostaje jednak urządzeniem badawczym o niewielkiej skali, więc tę przewagę trzeba jeszcze potwierdzić na poziomie wymaganym dla odporności na błędy.

Horse Ridge II: elektronika sterująca bliżej kubitów

Intel musi rozwiązać także problem sterowania. Horse Ridge II to rozwijany przez firmę kriogeniczny układ sterujący, który ma silniej zintegrować kubity z klasyczną elektroniką służącą do ich manipulowania i odczytu. Intel wskazuje sterowanie kriogeniczne jako kluczowy element swoich prac nad systemami kwantowymi; opisy programu mówią o pracy Horse Ridge II w temperaturze około 4 kelwinów.

Przeniesienie części funkcji sterowania bliżej środowiska kriogenicznego ma ograniczyć zależność od wielkich wiązek przewodów biegnących z temperatury pokojowej — potencjalnego wąskiego gardła przy wzroście systemów. Tunnel Falls i Horse Ridge II pokazują więc, że Intel rozwija jednocześnie technologię kubitów oraz otaczający je stos sterowania.

Tłoczny wyścig, ale rynek wciąż niezweryfikowany

Harmonogramy branży coraz częściej wskazują koniec dekady. Microsoft twierdzi, że jego prace nad Majorana 2 wspierają cel budowy komercyjnie użytecznych maszyn kwantowych do 2029 roku. Firma podaje średni czas życia kubitów w nowym systemie na poziomie około 20 sekund. Są to jednak deklarowane przez spółkę kamienie milowe i cele, a nie dowód, że odporny na błędy komputer kwantowy działa już u klientów komercyjnych. 29

Peter DeSantis z Amazona przedstawia ostrożniejszą prognozę: pierwsze komercyjnie użyteczne małe komputery kwantowe mogą pojawić się za pięć do siedmiu lat. 6 To perspektywa początku lat 30. XXI wieku i przypomnienie, że osiągnięcie sprzętowego kamienia milowego to nie to samo co powtarzalna wartość biznesowa.

Akcentowanie przez Intela korekcji błędów, zastosowań i pytania, kto za technologię zapłaci, trafia w sedno komercyjnej luki. Więcej kubitów, lepsza kriogenika i niższy narzut łagodzenia błędów są konieczne, ale żadna z tych rzeczy sama w sobie nie dowodzi popytu. Rozstrzygający test nastąpi wtedy, gdy hybrydowy proces CPU–GPU–komputer kwantowy zapewni potwierdzalną przewagę ekonomiczną w problemie klienta, którego systemy klasyczne nie potrafią rozwiązać równie skutecznie.

Na razie spacetime PEC i modułowa kriogenika IBM, podobnie jak prace Intela nad krzemowymi kubitami spinowymi oraz sprzętem sterującym, są ważnymi krokami inżynieryjnymi. Należy je rozumieć jako działania, które mają umożliwić użyteczne przetwarzanie kwantowe — nie jako dowód, że szeroko opłacalna informatyka kwantowa już nadeszła.