IBM Квантови изчисления 2025-2029: Надпреварата за квантово предимство, устойчиво на грешки

IBM Квантови изчисления 2025-2029: Надпреварата за квантово предимство, устойчиво на грешки

Революционният процесор Quantum Nighthawk на IBM представлява голям скок към квантовото предимство (Източник: IBM Research / Tom's Hardware)

Резюме

IBM е в челните редици на революцията в областта на квантовите изчисления, която обещава да промени из основи начина, по който подхождаме към изчислителните предизвикателства. С неотдавнашното представяне на процесора IBM Quantum Nighthawk и изчерпателна пътна карта до 2029 г., компанията очерта амбициозен път от днешната квантова полезност до устойчиви на грешки квантови компютри, способни да работят с вериги със 100 милиона порта.

Това пътешествие включва пробивни хардуерни иновации, революционни софтуерни разработки чрез Qiskit, стратегически партньорства с лидери в бранша като Cisco и създаване на модерни производствени мощности. които позиционират IBM като ясен лидер в надпреварата за квантово предимство.

Началото на квантовото предимство

В областта на квантовите изчисления е настъпил ключов момент. Изследователите на IBM и техните глобални партньори вече са демонстрират квантови вериги, които предизвикват възможностите на класическите суперкомпютри, отбелязвайки началото на това, което експертите наричат "ерата на квантовите предимства". [1]

На неотдавнашната конференция на разработчиците на квантови технологии IBM представи три различни кандидат експеримента за квантови предимство, обхващащи наблюдаема оценка, вариационни алгоритми и проблеми с ефективни класически проверка. За да се гарантира стриктното валидиране на тези постижения, IBM си партнира с Algorithmiq, изследователи от Flatiron Institute и BlueQubit, за да стартира отворен, ръководен от общността инструмент за проследяване на квантовото предимство.

"Вярваме, че IBM е единствената компания, която е в състояние бързо да изобрети и разшири квантовия софтуер, хардуер, производство и корекция на грешки, за да се отключат трансформационни приложения", заяви Джей Гамбета, директор на IBM Research и стипендиант на IBM. [1]

IBM Quantum Nighthawk: Архитектура за предимство

Изследовател на IBM държи квантовия процесор Nighthawk, който включва 120 кюбита в революционна квадратна решетка дизайн

Процесорът IBM Quantum Nighthawk представлява промяна на парадигмата в дизайна на квантовата архитектура. Изграден около 120-кубитова квадратна решетъчна топология, Nighthawk включва 218 настройващи се куплунга от следващо поколение - значителен в сравнение със 176-те куплунга на IBM Quantum Heron. [2]

Тази усъвършенствана свързаност позволява схеми с 30% по-голяма сложност от предишните процесори на IBM, като същевременно запазвайки ниските нива на грешки, които са от съществено значение за приложенията с квантови предимства. Дизайнът на квадратната решетка осигурява че всеки кюбит се свързва директно с четири най-близки съседа, в сравнение с две или три връзки, които са налични в тежките шестоъгълни решетки.

Технически спецификации

Пътната карта на Nighthawk надхвърля първоначалния капацитет от 5000 порта, осигурен през 2025 г. IBM предвижда ще достигне 7500 порта до края на 2026 г., 10 000 порта през 2027 г. и накрая 15 000 двукубитови порта до 2028 г. Когато се комбинират с l-съединители за междумодулна свързаност, базираните на Nighthawk системи могат да поддържат над 1 000 свързани кюбита.

IBM Quantum Loon: Проект за толерантност към грешки

Процесорът на IBM Quantum Loon демонстрира всички ключови хардуерни компоненти, необходими за квантовата устойчивост на грешки изчисления

Паралелно с графика за разработване на Nighthawk, IBM Quantum Loon служи като експериментален процесор, който демонстрира всички критични компоненти, необходими за устойчив на грешки квантов изчисления (FTQC). Този 112-кубитов процесор потвърждава архитектурните основи, необходими за квантовите кодове за проверка на четността с ниска плътност (qLDPC). [3]

Loon включва няколко революционни технологии, включително съединители c, които позволяват връзки на дълги разстояния. между отдалечени кюбити в рамките на един и същи чип, множество висококачествени маршрутизиращи слоеве и възможности за нулиране на кюбити. които са от съществено значение за протоколите за корекция на грешки. Тези нововъведения формират техническата основа за двумерната система на IBM велосипедни кодове, които намаляват физическите разходи за кюбита с до 90% в сравнение с повърхностните кодове.

Изглед отблизо на IBM Quantum Loon, показващ c-съединители, които позволяват връзки на кюбити на големи разстояния в чипа (Източник: IBM Research)

Пътна карта за толерантност към грешки в Starling

Художествена визуализация на системата IBM Quantum Starling - първият квантов компютър на IBM, устойчив на грешки

Системата Starling представлява кулминацията на изследванията на IBM в областта на квантовите изчисления, устойчиви на грешки. Въз основа на пробивните двумерни велосипедни кодове на компанията, публикувани в Nature, Starling ще реализира модулна архитектура, използваща логически процесори и универсални адаптери, за да постигне безпрецедентен изчислителен мащаб. [4]

Qiskit Evolution: Софтуер за квантово предимство

Напредъкът в хардуера сам по себе си не може да осигури квантово предимство - той трябва да бъде съчетан със също толкова усъвършенствани софтуерни възможности. Qiskit SDK с отворен код на IBM продължава да определя стандарта за квантово програмиране, като версия 2.2 предоставя подобрения в производителността, които превъзхождат конкурентните платформи.

Последните сравнителни тестове показват, че Qiskit SDK v2.2 транспонира квантови схеми 83 пъти по-бързо от алтернативните рамки като Tket 2.6.0. Това предимство в производителността става критично, когато се работи със сложни вериги необходими за приложения с квантови предимства. [5]

Основни софтуерни иновации

Интеграция на API на C и HPC: Qiskit v2.x въвежда приложно-програмен интерфейс за C, който позволява естествена интеграция с високопроизводителни изчислителни среди. Новият интерфейс на C++ позволява да се изпълняват квантово-класически натоварвания ефективно в разпределени изчислителни инфраструктури.

Динамични вериги в мащаб: Усъвършенстваните анотации на веригите позволяват създаването на динамични вериги за комунални услуги които включват класически операции по време на квантово изпълнение. Тази възможност осигурява до 25% по-точни резултати, като същевременно намалява изискванията за двукубитови гейтове с 58%.

Усъвършенствано смекчаване на грешките: Нови инструменти като Samplomatic и примитивният екзекутор позволяват усъвършенствани техники за намаляване на грешките, които намаляват режийните разходи за вземане на проби над 100 пъти в сравнение със стандартните вероятностните методи за анулиране на грешки. [6]

Актуализираната квантова пътна карта на IBM за 2025 г. очертава пътя към квантово предимство и устойчивост на грешки

Партньорство между IBM и Cisco: Създаване на мрежа от квантови компютри

През ноември 2025 г. IBM и Cisco обявиха новаторско сътрудничество за разработване на мрежови разпределени квантови изчислителни възможности. Целта на това партньорство е да се свържат множество мащабни, устойчиви на грешки квантови компютри в единна изчислителна мрежа до началото на 2030-те години. [7]

Сътрудничеството е насочено към едно от най-значимите предизвикателства пред квантовите изчисления: как да се постигне изчислителната мощност да надхвърли възможностите на отделните квантови системи. Чрез свързване в мрежа на квантови компютри, проблемите, изискващи трилиони квантови врати, стават теоретично осъществими.

Техническа архитектура

Квантово мрежово звено (QNU): IBM ще разработи специализирани интерфейси, които преобразуват стационарните квантова информация в рамките на квантовите процесори (QPU) в "летяща" квантова информация, която може да бъде да се предава през мрежови връзки.

Микровълново-оптични преобразуватели: Тези устройства ще позволят предаването на квантово състояние в по-дълги разстояния, като потенциално могат да свързват квантови компютри в различни сгради или центрове за данни.

Мрежово разузнаване: Квантовата мрежова рамка на Cisco ще преконфигурира динамично мрежата и разпределя ресурсите на заплитане при поискване, за да поддържа сложни квантови алгоритми.

Партньорството е насочено към първоначална демонстрация на концепцията до 2030 г., а крайната цел е създаването на основополагащи технологии за квантов интернет до края на 2030-те години.

300 мм Изработка: Мащабно производство

Изследовател на IBM държи 300-милиметрова пластина, съдържаща множество квантови процесори Nighthawk

Преминаването на IBM към производство на 300-милиметрови пластини в комплекса Albany NanoTech представлява фундаментална промяна в на възможностите за производство на квантови процесори. Това усъвършенствано съоръжение позволява на IBM да удвои изследователската и скоростта на разработване, като същевременно увеличава сложността на чиповете десетократно. [8]

300-милиметровият производствен процес включва най-съвременните полупроводникови инструменти и опита на IBM в областта на квантовите технологии, дава възможност за паралелно изпълнение на множество итерации на дизайна. Този подход вече е съкратил разработването на процесори поне наполовина, като същевременно поддържа сложните архитектури, необходими за квантовите изчисления, устойчиви на грешки.

300-милиметрово съоръжение с чисти помещения в комплекса NanoTech в Олбъни на NY Creates, където се произвеждат квантовите процесори на IBM

Декодер на RelayBP: Корекция на грешки в реално време

Квантовите изчисления, устойчиви на грешки, изискват възможности за корекция на грешки в реално време, които могат да декодират синдрома информация по-бързо, отколкото се натрупват грешките. Декодерът RelayBP на IBM представлява пробив в тази критична област. технология, като постига скорост на декодиране под 480 наносекунди - приблизително 10 пъти по-бързо от водещите алтернативни подходи. [9]

Алгоритъмът RelayBP е специално разработен, за да бъде точен, бърз, компактен и достатъчно гъвкав за да се реализират на полеви програмируеми матрици (FPGA) или на интегрални схеми със специфично приложение (ASIC). Това постижение беше завършено цяла година преди първоначалния график на IBM, което демонстрира способността на компанията да надхвърля ангажиментите си по пътната карта.

Поукипси: Наследство от компютърни иновации

Чертеж на центъра за данни на IBM в Поукипси с настоящите квантови системи и бъдещия компютър Starling

Центърът на IBM в Покипси носи наследството на компютърни иновации, което продължава повече от осем десетилетия. От създаването си през 1941 г. този исторически обект е дом на революционни разработки, включително IBM 701 (първият търговски компютър на компанията през 1952 г.), революционната серия мейнфреймове System/360 и най-съвременните днес квантови компютри.

В съществуващия Център за квантови данни на IBM в Поукипси понастоящем се намират най-мощните квантови компютри в света. достъпни чрез платформата IBM Quantum Platform. До 2029 г. в това съоръжение ще се помещава системата Starling, която ще представлява следваща глава в забележителната компютърна история на Поукипси. [4]

Квантова система 2 на IBM, инсталирана в центъра за данни в Поукипси, където в момента се намират най-модерните квантови компютри в света (снимка: IBM, 2025 г.)

Конференция на разработчиците на Quantum на IBM 2025 г.

Квантово предимство Времева линия и прогнози