Разработка масштабных и устойчивых к ошибкам квантовых вычислительных систем движется к новой вехе благодаря прорывным открытиям, которые обещают сделать возможным создание самой мощной в мире квантовой машины уже к концу этого десятилетия. Компания IBM заявила, что к 2029 году построит гигантский квантовый компьютер с 10 000 физических кьюбитов, при этом использовав новые технологии исправления ошибок, которые полностью преодолевают основное ограничение в области масштабирования — проблему устойчивости к ошибкам. Эти заявления не являются голословными — последние исследования, опубликованные в июне на сервере препринтов arXiv, демонстрируют, что ключ к успеху лежит именно в инновационных подходах к коррекции ошибок, и именно они делают масштабирование квантовых систем реальной возможностью.

Как IBM разрабатывает технологию, меняющую правила игры

Речь идет об использовании новых квантовых кодов падежных проверок с низкой плотностью (LDPC — Low Density Parity Check), которые позволяют значительно снизить объем физических quбитов, необходимых для реализации логических, то есть надежных, кьюбитов. В традиционных системах для защиты каждого логического кьюбита требовалось увеличивать число физических кьюбитов в разы — иногда в сотни или тысячи раз. В результате современные квантовые ПК остаются чрезвычайно чувствительными и постоянно подвержены ошибкам. Однако внедрение LDPC-кодов меняет правила игры — благодаря этим алгоритмам, каждый физический кьюбит участвует в меньшем количестве проверок, а каждая проверка связана с меньшим числом кьюбитов, что значительно повышает эффективность и стабильность системы.

Революция в сфере коррекции ошибок и её масштабные перспективы

Научная команда IBM продемонстрировала, что их новые подходы к исправлению ошибок позволяют снизить издержки в масштабировании квантовых систем почти в 9 раз по сравнению с существующими технологиями. Это означает, что для создания системы, способной выполнять 100 миллионов квантовых операций, достаточно всего около 200 логических кьюбитов, реализуемых при помощи примерно 10 000 физических кьюбитов. Для сравнения, существующие системы на базе 150-200 физических кьюбитов способны выполнять лишь несколько тысяч операций перед тем, как качество результата ухудшается из-за ошибок.

«На сегодняшний день ясно, что наука по исправлению ошибок достигла своей точки невозврата. Теперь масштабирование квантовых компьютеров — это не вопрос науки, а задач инженерной реализации», — заявил Джей Гамбетта, вице-президент компании IBM по квантовым операциям.

Путь к квантовой технологической революции: от исправления ошибок к масштабированию

Раньше проблема масштабирования заключалась в невозможности эффективно компенсировать ошибки, возникающие из-за «шумности» квантовых состояний и их чувствительности к внешним возмущениям. Чем больше физических кьюбитов добавлялось, тем быстрее авторитет ошибок рос, делая систему практически нефункциональной. Поэтому основные усилия специалистов были сосредоточены на разработке методов коррекции ошибок — это и есть фундаментальный камень преткновения, который мешал создавать действительно крупные и устойчивые квантовые системы.

Однако, внедрение новых LDPC-кодов полностью меняет ландшафт. Эти коды используют минимальное количество проверок и позволяют значительно повысить «кодирование» квантовой информации, сохраняя ее целостность даже при наличии ошибок. В результате можно строить системы, в которых ошибки не накапливаются со временем, а устраняются автоматически — подобно тому, как современные классические системы исправляют битовые ошибки в передаче данных.

Прогнозы и будущие проекты IBM

План IBM включает создание двух поколений квантовых машин — «Стёрлинг» (Starling) и «Блю Джей» (Blue Jay). Первый — это квантовый компьютер с 200 логическими кьюбитами, который, как ожидается, сможет выполнить до 100 миллионов операций уже к 2029 году. Для этого потребуется около 10 000 физических кьюбитов. Впоследствии, к 2033 году, появится система «Блю Джей», которая будет оснащена 2 000 логическими кьюбитами и способна на миллиард квантовых операций — это даст мощнейшее преимущество перед любыми существующими суперкомпьютерами.

Ключ к этим успехам — не только разработка новых кодов, но и переосмысление архитектуры квантовых процессоров. Так, в качестве платформы для будущих систем IBM использует архитектуру Loon, которая значительно превосходит по возможностям текущие модели Hex и Heron. В отличие от узкоспециализированных платформ Google и других компаний, IBM делает ставку на интеграцию новых методов коррекции ошибок, чтобы обеспечить масштабируемость и надежность будущих систем.

Почему это важно для науки и технологий

Решение проблемы коррекции ошибок в квантовых вычислениях — это не только теория. Уже сегодня квантовые компьютеры демонстрируют бестселлеры в области специализированных задач: ускорения моделирования молекул, оптимизации сложных систем, криптографии. Однако их применение ограничено размером и надежностью. Новые технологии исправления ошибок открывают путь к созданию универсальных, масштабируемых квантовых систем, способных «переварить» огромные массивы данных и решать задачи, недоступные классическим компьютерам.

Наиболее яркие примеры таких технологий — это достижения Google в области квантового превосходства, а также разработки Intel и других гигантов. Но IBM, благодаря своим исследованиям и инновациям, приближается к моменту, когда крупномасштабные квантовые машины станут обыденностью, а их возможности — частью повседневной жизни — от фармацевтики до финансов и энергетики.

Что дальше?

Переход от теоретических моделей к реальному применению потребует новых алгоритмов, программных платформ и методов управления системами. IBM уже запустила набор инструментов Qiskit 2.0, который поможет исследователям подготовить программное обеспечение под будущие системы. Основная задача — подготовить сообщество ученых и инженеров к работе с системами, в которых исправление ошибок перестанет быть препятствием и станет залогом их масштабируемости и эффективности.

Современная квантовая революция, по мнению ведущих ученых, уже близка к своему апогею. В 2029 году мы станем свидетелями появления квантового компьютера, который не только превзойдет все существующие образцы вычислительных систем, но и изменит сам подход к решению самых сложных научных и прикладных задач.