IBM och Intel bygger olika vägar mot kommersiella kvantdatorer

Kommersiellt användbara kvantdatorer kräver betydligt mer än att bara öka antalet fysiska qubitar. Felen måste hållas under kontroll, kablage och kylning måste gå att skala, och systemen måste till slut lösa kundproblem bättre nog för att motivera kostnaden.

IBM och Intel arbetar med olika delar av den ekvationen. IBM kombinerar felmitigering på kort sikt med en modulär arkitektur för supraledande hårdvara. Intel bygger i stället kring kiselbaserade spinnqubitar och ser kvantdatorn som en accelerator i ett större, klassiskt datorsystem.

IBM:s spacetime PEC: sortera bort upptäckta fel och mildra resten

IBM:s metod, spacetime probabilistic error cancellation – eller spacetime PEC – kombinerar två tekniker för felhantering. Den utger sig inte för att fullständigt rätta alla fel.

Först används ett feldetekteringslager baserat på så kallade spacetime codes. Med hjälpqubitar och kontroller som är fördelade över både kretsens qubitar och dess tidssteg kan körningar med identifierbara fel flaggas och sorteras bort genom efterurval (post-selection). Därefter tillämpar IBM probabilistic error cancellation (PEC) för att uppskatta och statistiskt kompensera för de kvarvarande fel som inte upptäcktes.

PEC gör detta genom att sampla modifierade versioner av en kvantkrets och väga samman resultaten i en statistisk uppskattning.

Skillnaden är väsentlig: det här är felmitigering, inte feltolerant kvantfelkorrigering. Metoden kan förbättra uppskattningen från en brusig processor, men gör inte dagens fysiska qubitar till obegränsat tillförlitliga logiska qubitar.

Testet på ibm_aachen – och vad 63 gånger faktiskt betyder

Forskarna testade den kombinerade metoden på IBM:s supraledande processor ibm_aachen, i en simulering av den transversala Isingmodellen. Enligt förpubliceringen kunde protokollet återge den genomsnittliga magnetiseringen inom den statistiska osäkerheten genom sex Trottersteg. Den beräknade samplingskostnaden minskade med upp till 63 gånger jämfört med PEC utan efterurval.

Siffran är uppseendeväckande, men avgränsad. Den beskriver en jämförelse av uppskattad samplingskostnad i just detta experiment – inte en 63-faldig förbättring av total körtid och inte ett generellt kvantövertag. Efterurval innebär dessutom att vissa mätningar måste kastas bort, medan PEC förutsätter att bruset kan modelleras tillräckligt väl för att den statistiska kompensationen ska fungera.

Resultatet är också en förpublicering på arXiv, inte en sakkunniggranskad demonstration av bred, feltolerant kvantberäkning.

I praktiken pekar resultatet på en möjlig mellanväg: identifiera de fel som går att upptäcka, ta bort de körningarna och använd den dyrare felmitigeringen på det brus som återstår. Det kan förlänga räckvidden för användbara beräkningar på brusiga maskiner, men ersätter inte behovet av aktiv felkorrigering och logiska qubitar på längre sikt.

Varför IBM bygger om själva kvantkylskåpet

För supraledande kvantprocessorer är kylningen en central del av systemdesignen. Varje qubit behöver anslutningar för styrning och avläsning, och när fler processorer ska rymmas i konventionell kryogen utrustning blir både kabeltäthet och sammankopplingar allt svårare att hantera.

IBM har kopplat ihop två lådformade kryogena celler till en gemensam driftsmiljö som nådde under 15 millikelvin. Kvantkablar passerar mellan modulerna genom en termiskt skyddad tunnel. Varje cell använder etablerad utspädningskylning, men den lådformade konstruktionen är tänkt att låta moduler placeras sida vid sida och ge betydligt mer plats för kablage och anslutningar mellan chip.

Enligt IBM erbjuder varje moduls vakuumhölje upp till tolv gånger mer kabelutrymme än företagets mest använda kvantsystem.

Den kommersiella poängen handlar om arkitektur. I stället för att försöka bygga en enda allt större processor i ett enda begränsat kylsystem vill IBM koppla samman processorer via korta, skyddade förbindelser. Det kan göra det lättare att addera beräkningskapacitet och minska den komplexitet som långa externa anslutningar medför.

Nighthawk, 1 000 programmerbara qubitar och Starling

Nästa steg är att installera IBM:s Nighthawk-processorer i de modulära systemen för att testa arkitekturen vidare. I färdplanen ingår minst 1 000 programmerbara qubitar fördelade över sammankopplade processorer år 2027, samt den planerade feltoleranta maskinen IBM Quantum Starling år 2029. 1718

Det är mål i en färdplan, inte redan levererade funktioner. Men de visar att IBM behandlar felhantering, modulär hårdvara, sammankopplingar, kabeldragning och kryogen drift som ett sammanhängande skalningsproblem – inte som separata projekt.

Intel satsar på kisel och en hybridmodell

Intels vd Lip-Bu Tan beskriver kvantprocessorer som en tredje typ av beräkningshårdvara som ska arbeta tillsammans med CPU:er och GPU:er i utvalda tillämpningar. I den modellen sköter klassiska processorer och acceleratorer koordinering och konventionella beräkningar, medan kvantprocessorn används bara där kvantalgoritmer kan ge en meningsfull fördel. 5

Det är en snävare kommersiell idé än att ersätta vanlig databehandling – och sannolikt en mer realistisk. Ett användbart kvantflöde måste motivera extra hårdvara, mjukvara och driftkomplexitet i konkurrens med snabbt förbättrade system för högpresterande beräkningar och AI.

Tunnel Falls: forskningsplattform för spinnqubitar i kisel

Tunnel Falls är Intels kvantprocessor med 12 kiselbaserade spinnqubitar, tillgänglig för forskarsamhället. Plattformen ska användas för att undersöka qubitdrift, karakterisering, tillverkning och skalning med metoder som ligger närmare etablerad halvledarproduktion.

Intel beskriver den som ett steg mot ett kommersiellt kvantsystem i hela teknikstacken, inte som en kommersiell produkt i sig.

Attraktionen med spinnqubitar i kisel är tillverkningspotentialen: om tekniken mognar kan den möjligen dra nytta av processdisciplin och metoder från den vanliga chipindustrin. Men Tunnel Falls är fortfarande en forskningsmaskin i liten skala. Potentialen måste alltså ännu bevisas i den omfattning som krävs för feltolerans.

Horse Ridge II: styrningselektronik närmare qubitarna

Intel måste också lösa styrproblemet. Horse Ridge II är företagets satsning på ett kryogent styrchip, avsett att integrera qubitarna tätare med den klassiska elektronik som styr och läser av dem. Intel framhåller kryogen styrning som en viktig del av sitt kvantsystemarbete; rapportering om programmet beskriver Horse Ridge II som fungerande vid omkring 4 kelvin.

Tanken med att flytta delar av styrningen närmare den kryogena miljön är att minska beroendet av stora kabelbuntar från rumstemperatur – en möjlig flaskhals när systemen växer. Tillsammans visar Tunnel Falls och Horse Ridge II att Intel utvecklar både själva qubittekniken och styrsystemet runt den.

En tät kapplöpning – men marknaden är inte bevisad

Flera bolags tidsplaner möts nu kring slutet av 2020-talet. Microsoft säger att arbetet med Majorana 2 stödjer ett mål om kommersiellt användbara kvantmaskiner år 2029. Företaget uppger en genomsnittlig qubitlivslängd på omkring 20 sekunder för det nya systemet. Det är bolagets egna milstolpar och mål, inte ett bevis på att en kommersiellt driftsatt, feltolerant maskin redan finns. 29

Amazons chef Peter DeSantis har gett en försiktigare prognos: de första kommersiellt användbara småskaliga kvantdatorerna kan komma om fem till sju år. 6 Det pekar mot början av 2030-talet och understryker skillnaden mellan en teknisk hårdvarumilstolpe och ett återkommande affärsvärde.

Intels fokus på felkorrigering, tillämpningar och frågan om vem som faktiskt ska betala ringar in det centrala kommersiella glappet. Fler qubitar, bättre kryogenik och lägre kostnad för felmitigering är nödvändiga framsteg, men inget av dem bevisar efterfrågan på egen hand.

Det avgörande testet blir om ett hybridflöde med CPU, GPU och kvantprocessor kan ge en verifierad ekonomisk fördel för ett kundproblem som klassiska system inte kan lösa lika effektivt.

IBM:s spacetime PEC och modulära kylning, liksom Intels arbete med kiselspinn och styrelektronik, är därför viktiga ingenjörssteg. De bör ses som försök att göra användbar kvantberäkning möjlig – inte som ett bevis på att brett gångbar kvantberäkning redan har kommit.