В мире квантовых технологий происходят революционные перемены. Инженеры и ученые из компании IBM продемонстрировали два новейших квантовых процессора, которые существенно приближают нас к эпохе полной, устойчивой к ошибкам квантовой вычислительной техники. Эти достижения обозначают новую главу в развитии квантовых систем, способных не только решать сложнейшие задачи, но и обходить проблему ошибок, которая долгое время тормозила прогресс в этой области. На сегодняшний день, создание полноценных квантовых компьютеров с возможностью самодиагностики и коррекции ошибок — это не фантастика, а ближайшее будущее, к которому приблизились инженеры IBM.

Новые квантовые процессоры IBM

Первый из представленных устройств — это IBM Quantum Nighthawk, 120-кьюбитный чип, способный выполнять квантовые вычисления на 30% более сложные, чем предыдущий флагман — IBM R2 Херон. Этот процессор — не только технологический прорыв, но и первая ступенька к масштабируемым квантовым системам. Благодаря наличию 218 улучшенных настраиваемых связующих элементов — так называемых «куполеров», — Nighthawk способен обеспечить взаимодействие каждого из 120 кьюбитов с четырьмя соседями в квадратной решетке. Это на 20% больше, чем у его предшественника, что расширяет горизонты для моделирования проблем, связанных с квантовой запутанностью и сложными алгоритмами.

Эта архитектура дает возможность проводить операции, требующие выполнения до 5 000 двухкьюбитных гейтов — основополагающих процессов для реализации сложных алгоритмов. Представители IBM уверяют, что к концу 2026 года сила нового процессора увеличится до 7 500 гейтов, а к 2027 году — до 10 000. В 2028 году планируется создание систем на базе Nighthawk с количеством кьюбитов до 1 000 и дальнодействующими связями между ними, что позволит выполнять до 15 000 двухкьюбитных операций.

Второй новинка — это более компактный чип IBM Loon, который включает 112 кьюбитов. Этот процессор — демонстрация всех технологий для достижения устойчивого квантового вычисления. В отличие от классических компьютеров, где ошибки редки и легко исправимы, квантовые системы сталкиваются с высоким уровнем отказов, что требует разработки специальных методов коррекции ошибок (КЭ). Именно этим занимается направление, известное как квантовая коррекция ошибок (QEC), которое стало ключом к расширению возможностей современных квантовых процессоров.

Технологии для устойчивого квантового вычисления

Создание Loon — важный этап в решении проблемы высокой вероятности отказа кьюбитов. В декабре 2023 года IBM представила чип Eagle — 127-кьюбитную модель, чей показатель ошибок оказался в пять раз ниже, чем у более крупного 1 000-кьюбитного процессора Condor. Это подтверждает, что меньшие по размеру и сложности системы могут быть более надежными при реализации технологий коррекции ошибок.

По словам Оливера Дайла, технического директора IBM Quantum, для достижения устойчивых к ошибкам квантовых систем необходимо внедрять новые функции: шестисторонние связи, позволяющие одному кьюбиту взаимодействовать сразу с шестью соседями, увеличенные слои маршрутизации на поверхности чипа, а также более длинные связующие элементы и «сбросовые» модули, которые возвращают кьюбит в его исходное состояние. Именно эти нововведения делают возможным создание систем, которые не только вычисляют, но и активно исправляют свои собственные ошибки в реальном времени.

На сегодняшний день экспериментальные модели, такие как Loon, позволяют тестировать все эти инновации в едином устройстве. Но для полностью отказоустойчивого функционирования, все эти компоненты должны работать с очень высоким коэффициентом надежности. Поэтому IBM планирует в 2026 году представить Kookaburra — процессор модульной архитектуры, объединяющий логические операции и память в одном устройстве. Это станет первым шагом к созданию «умных» квантовых систем, способных долго хранить и обрабатывать закодированную информацию.

Достижение квантового преимущества и будущие вызовы

Важнейшей целью компании IBM является демонстрация квантового преимущества — момента, когда квантовый компьютер решает задачи быстрее и эффективнее любого классического аналога. В рамках реализуемых программ создан специальный трекер преимущества, который отслеживает прогресс по трем направлениям:

• «наблюдаемые оценки» — измерения, основанные на квантовой механике;
• «варьирующие задачи» — оптимизационные задачи, важные для материаловедения, логистики и финансового моделирования;
• «классически проверяемые задачи» — проблемы, решения которых легко проверить на классическом компьютере.

Для ускорения разработки новых квантовых процессоров IBM внедряет инновационные методы изготовления — в частности, работу со 300-миллиметровыми (12-дюймовыми) пластинами-сверхпроводниками, что сокращает время производства и повышает их сложность в десять раз. Эти достижения позволяют создавать более крупные и сложные чипы, объединяющие сотни тысяч кьюбитов.

Процессоры создаются путем плетения тончайших пластин из кремния, на которых посредством автоматизированных машин формируются сложные электрические цепи и структура квантовых элементов. В дальнейшем эти структуры собираются в многослойные 3D-стэки и подключаются к управляющей электронике.

Пути развития и перспективы до 2033 года

План IBM включает запуск первых устойчивых к ошибкам квантовых чипов уже к 2029 году. В этот период ожидается появление устройства Starling — квантового процессора с 2 000 кьюбитами, способного работать в полной, саморегулирующейся системе. К 2033 году компания обещает представить гигантский чип Blue Jay с 2 000 кьюбитами, который станет мощнейшим в истории квантовых систем.

Таким образом, IBM демонстрирует не только технологические достижения, но и стратегию долгосрочного развития, ориентированную на преодоление текущих ограничений и создание полностью исправных квантовых машин. Это позволит использовать квантовые компьютеры для решения задач, которые сегодня кажутся недостижимыми — моделирования молекул, оптимизации логистических цепочек, разработки новых материалов и лекарств.

Компании и исследовательские институты по всему миру уже внимательно следят за прогрессом IBM, осознавая, что именно эти разработки станут фундаментом для следующего поколения вычислительных систем, способных изменить наш мир навсегда.