Некоторое время IBM сказал, что к 2029 году планирует построить квантовый компьютер, устойчивый к неисправности. Однако неясно, что компания планировала это сделать. Коррекция ошибок, то есть способность к квантовому процессору восстанавливаться после неизбежных ошибок, введенных даже самым крошечным шумом, оставалась самой важной нерешенной проблемой при создании сборочного квантового компьютера. Сегодня, в двух технических документах, IBM утверждает, что решила коррекцию ошибок с помощью нового алгоритма и подробно описывает архитектуру (названную «велосипедной архитектурой»), которая вкладывает этот алгоритм и некоторые дополнительные части на практике.
«Я чувствую, что мы взломали код для коррекции квантовой ошибки-и теперь мы говорим, что можем его построить»,-сказал мне Джей Гамбетта, вице-президент, отвечающий за квантовые инициативы IBM (и соавтор архитектурного документа), в интервью перед сегодняшним объявлением. «Таким образом, мы в значительной степени выделили точно на дорожной карте, как мы собираемся это сделать, и я рассматриваю это как инженерию, а не научный вызов».
К 2029 году IBM рассчитывает запустить свой квантовый компьютер Starling, который будет включать 200 логических кубитов и будет способна на 100 миллионов квантовых операций. Эта новая машина, утверждает IBM, будет в 20 000 раз более мощнее, чем современные квантовые компьютеры, и способна создавать реальные результаты в таких областях, как разработка лекарств, обнаружение материалов, химия, логистика и оптимизация финансов, которые классические компьютеры не способны решать в какое-либо разумное время.
Создание лучшего алгоритма коррекции ошибок
Здесь есть что распаковать, но сначала стоит сделать шаг назад. Год назад, в газете природы, Gambetta и его соавторы описали новый алгоритм коррекции ошибок (проверка паритета с низкой плотностью), который увеличил количество физических кубитов, которые потребуются для создания рабочего квантового компьютера с 12 логическими кубитами с почти 3000 до 288, и все это имело бы частоту ошибок 0,1%.
Чтобы создать логический кубит, грубый эквивалент немного в классических вычислениях, вам нужно гораздо больше физических кубитов, чтобы обнаружить ошибки, отчасти потому, что каждый из физических кубитов может повлиять на шум в какой -то момент во время расчета. Имея ряд физических кубитов, вы можете обнаружить ошибку в этих конкретных кубитах и исправить их, защищая состояние этого виртуального логического кубита в процессе.
Именно эти ошибки в физических кубитах давно преследуют отрасль. В конце концов, вы не можете полностью изолировать квантовый процессор от любого вида шума, если вы хотите его использовать. Благодаря предыдущему современному алгоритму «поверхностного кода» потребовалось бы миллион или более физических кубитов, чтобы построить устойчивую к неисправности машину, которая мог бы принести реальные результаты-массовый инженерный вызов, который никто не знал, как решить.
Проблема с этой первой статьей заключалась в том, что она была сосредоточена только на квантовой памяти, на самом деле не запуская вычисления на этих кубитах.
Гамбетта признала столько же. «Естественная критика этой статьи была: вы сделали это только для памяти. Если мне нужны вычисления, мне нужен способ сделать ворота, и мне нужен способ запутывать и масштабировать. И другая критика этой статьи была: декодер, который вы делаете, настолько сложна, что вы никогда не сможете сделать это в режиме реального времени».
Теперь, в новой архитектурной статье, IBM показывает, как она планирует эффективно создавать квантовые ворота, что по сути позволяет машине помещать кубиты в разные состояния и как масштабировать эти квантовые компьютеры до тысяч логических кубитов с течением времени. Эти ворота создаются тем, что IBM называет подразделением логической обработки (LPU), и компания создала то, что она называла универсальным адаптером, чтобы соединить различные модули вместе.
«Когда вы собираете все это вместе и выполняете сквозные расчеты, вы обнаружите, что это все еще на порядок меньше кубитов, чем код поверхности, когда вы делаете вычисление»,-объяснил Гамбетта.
Построение лучших декодеров с неупорядоченной памятью
Одна из причин, по которой реализация существующих алгоритмов коррекции ошибок была настолько проблематичной, заключалась в том, что эти алгоритмы должны работать на классических компьютерах в режиме реального времени. Теперь, что накладные расходы уменьшаются на 90%, говорит IBM. И это, может быть, настоящий прорыв здесь. Чтобы проверить, использует ли физический кубит, который является частью общего логического кубита, квантовые компьютеры используют то, что обычно называют «декодером». Квантовые процессоры регулярно проверяют, есть ли какие -либо ошибки, когда декодер принимает эти данные, проверяет, как выглядят шаблоны ошибок, а затем применять коррекцию ошибок. До сих пор состояние искусства здесь использовало алгоритм передачи сообщений, называемый распространением убеждений, который существует уже довольно давно, но который также имеет тенденцию, как отметил Гамбетта, «застрял». Когда это произойдет, другой алгоритм должен включить (названный «упорядоченным статистическим декодированием»), но это очень сложный расчет, который даже специализированное оборудование не сможет справиться в режиме реального времени.
Таким образом, IBM Boffins пошли вперед и создали новый декодер, который может работать в режиме реального времени на полевом массиве ворот (FPGA): распространение веры. В методе распространения убеждений разные узлы передают сообщения назад и вперед, обновляя декодер об их «убеждениях» о том, где могут быть ошибки в логическом кубите. Но, как сказала Гамбетта, эти убеждения могут в конечном итоге качаться взад -вперед, а алгоритм никогда не останавливается на ответе. Более новый алгоритм, распространение убеждений памяти, затем добавил к этому компонент памяти, который в основном функционирует как блокнот для декодера, чтобы отслеживать лучшие предположения до сих пор.
То, что теперь сделали исследователи IBM, — это решающее изменение в этом компоненте памяти, введя в микс «неупорядоченную память». Идея здесь состоит в том, чтобы сломать симметрию и ослабить колебание, которое может привести к застрявшим декодерам, стратегически введя сильные стороны памяти, вводя в систему, что затем позволяет алгоритму находить достоверные решения без необходимости начинать с нуля. По сути, вместо каждой части системы коррекции ошибок, запоминающей информацию точно одинаково, каждый узел теперь получает свою собственную силу памяти (что может быть даже отрицательным числом).
Конечным результатом является то, что этот алгоритм теперь может работать в режиме реального времени на FPGA (с IBM надеется построить специализированные чипы для этого варианта использования и до 2029 года).
До 2029 года
Текущий план заключается в том, чтобы IBM выпустила серию новых квантовых компьютеров, каждый из которых будет реализовать часть этой головоломки для построения звездного машины в 2029 году.
Новый декодер по коррекции ошибок дебютирует в следующем году. Затем, в 2027 году, IBM планирует показать, что он может запутывать модули с помощью своего нового универсального адаптера, а затем со счетом, он продемонстрирует систему, которая использует несколько из этих модулей для создания устойчивой к неисправности машины со 100 миллионами ворот.
По словам Гамбетта, теперь, чтобы добраться до этого, является вопросом улучшения различных компонентов этих машин до такой степени, что они надежны в повседневном использовании.
Здесь также есть интересная проблема классических вычислений, потому что каждому FPGA в текущей настройке требуется около 45 Вт мощности на физическую линию. У IBM есть доказательство концепции в использовании специализированной ASIC для контроля этих чипов, но как вы это масштабируете? «Даже если, скажем, я преуспел в модулях, я преуспел в урожайности и во всем этом, если ответ мне нужна атомная электростанция, чтобы контролировать это, мы испортили», — сказал Гамбетта.
«Я все еще хочу прояснить, что существует разница между научно -точной решающей его и его созданием», — отметил он. «Я не говорю, что это сделано. Это огромная инженерная задача. Но иногда, когда я думаю о научных проблемах, я не знаю, на какую сторону я собираюсь идти. И наука о изучении, а затем решении с некоторой интуицией и научным методом. Инженерная инженерия: у меня есть решение, но это тяжело. Циклы обучения, инженерии, надежности — эти вещи, которые мы делаем, поэтому я чувствую, что мы выходим из науки, и для меня, для меня, для меня, для меня, для меня, что является значительным, для меня, и для меня, что меняет. существовать.»
10 июня 2025 года IBM выпустила обновленную дорожную карту IBM, чтобы подробно описать свой путь к IBM Quantum Starling, первой в мире крупномасштабной, устойчивой к квантовой системе. Изображение предоставлено: IBM.
Trending Stories youtube.com/thenewstack Tech движется быстро, не пропустите эпизод. Подпишитесь на наш канал YouTube, чтобы транслировать все наши подкасты, интервью, демонстрации и многое другое. Группа подпишитесь с эскизом. Прежде чем присоединиться к новому стеку в качестве старшего редактора для ИИ, Фредерик был редактором предприятия в TechCrunch, где он освещал все, от роста облака и самых ранних дней Kubernetes до появления квантовых вычислений …. Подробнее от Frederic Lardinois
