Квантовые вычисления IBM 2025-2029: гонка за отказоустойчивым квантовым преимуществом

Квантовые вычисления IBM 2025-2029: гонка за отказоустойчивым квантовым преимуществом

Революционный процессор Quantum Nighthawk от IBM представляет собой большой скачок к квантовым преимуществам (Источник: IBM Research / Tom's Hardware)

Исполнительное резюме

IBM стоит на переднем крае революции в области квантовых вычислений, которая обещает кардинально изменить наши подходы к решению вычислительных задач. подход к решению вычислительных задач. Недавно компания представила процессор IBM Quantum Nighthawk и и комплексной дорожной картой до 2029 года, компания наметила амбициозный путь от сегодняшних демонстраций квантовой полезности до отказоустойчивых вычислений. демонстраций до отказоустойчивых квантовых компьютеров, способных работать со схемами с 100 миллионами вентилей.

Этот путь включает в себя прорывные инновации в области аппаратного обеспечения, революционные разработки программного обеспечения с помощью Qiskit, стратегические партнерства с такими лидерами отрасли, как Cisco, и создание передовых производственных мощностей. что делает IBM безусловным лидером в гонке за квантовое преимущество.

Рассвет квантового преимущества

В сфере квантовых вычислений наступил переломный момент. Исследователи IBM и их глобальные партнеры в настоящее время демонстрируют квантовые схемы, превосходящие возможности классических суперкомпьютеров, что знаменует собой начало того, что эксперты называют "эрой квантового преимущества". начало того, что эксперты называют "эрой квантовых преимуществ". [1]

На недавней конференции разработчиков квантовых технологий компания IBM представила три различных эксперимента-кандидата на получение квантового преимущества. преимуществ, охватывающих оценку наблюдаемости, вариативные алгоритмы и проблемы с эффективной классической проверкой. верификации. Чтобы обеспечить строгую проверку этих достижений, IBM сотрудничает с компанией Algorithmiq, исследователями из Института Флэтирона и компанией Blue. Flatiron Institute и BlueQubit, чтобы запустить открытый трекер квантовых преимуществ под руководством сообщества.

"Мы считаем, что IBM - единственная компания, которая способна быстро изобрести и масштабировать квантовое программное обеспечение, аппаратного обеспечения, производства и исправления ошибок, чтобы открыть новые возможности для применения", - заявил Джей Гамбетта (Jay Gambetta), директор IBM Research и стипендиат IBM". [1]

IBM Quantum Nighthawk: Архитектура для преимуществ

Исследователь IBM держит в руках квантовый процессор Nighthawk, состоящий из 120 кубитов в революционной квадратной решетке дизайн

Процессор IBM Quantum Nighthawk представляет собой смену парадигмы в разработке квантовой архитектуры. Построенный на основе топологии 120-кубитной квадратной решетки, Nighthawk включает 218 перестраиваемых соединителей нового поколения - значительное по сравнению с 176 соединителями в IBM Quantum Heron. [2]

Эта расширенная возможность подключения позволяет создавать схемы 30% большей сложности, чем в предыдущих процессорах IBM, сохраняя при этом низкие коэффициенты ошибок, необходимые для приложений с квантовыми преимуществами. сохраняя при этом низкий уровень ошибок, необходимый для приложений с квантовыми преимуществами. Квадратная решетка обеспечивает что каждый кубит напрямую соединяется с четырьмя ближайшими соседями, по сравнению с двумя или тремя соединениями, доступными в тяжелых шестигранных решетках.

Технические характеристики

Дорожная карта Nighthawk выходит за рамки первоначального потенциала в 5000 ворот, который будет реализован в 2025 году. По прогнозам IBM количество гейтов достигнет 7500 к концу 2026 года, 10 000 гейтов в 2027 году и, в конечном счете, 15 000 двухквантовых гейтов к 2028 году. В сочетании с l-патронами для межмодульного соединения системы на базе Nighthawk могут поддерживать более 1 000 соединенных кубитов.

IBM Quantum Loon: Проект отказоустойчивости

Процессор IBM Quantum Loon демонстрирует все ключевые аппаратные компоненты, необходимые для отказоустойчивых квантовых вычислений вычислений

Параллельно с разработкой Nighthawk, IBM Quantum Loon служит в качестве экспериментального процессор, демонстрирующий все критические компоненты, необходимые для отказоустойчивых квантовых вычислений (FTQC). вычислений (FTQC). Этот 112-кубитный процессор подтверждает архитектурные основы, необходимые для квантовой кодов с низкой плотностью проверок на четность (qLDPC). [3]

Loon включает в себя несколько революционных технологий, в том числе c-патроны, которые позволяют устанавливать соединения на большие расстояния между удаленными кубитами в одном чипе, несколько высококачественных уровней маршрутизации и возможность сброса кубитов. необходимые для протоколов коррекции ошибок. Эти инновации составляют техническую основу для двумерных бивариационных кодов IBM, которые снижают физическую нагрузку на кубиты до 90% по сравнению с поверхностными кодами.

Крупный план IBM Quantum Loon, показывающий c-пары, которые обеспечивают дальнее соединение кубитов внутри чипа (Источник: IBM Research)

Дорожная карта отказоустойчивости для Starling

Рендеринг системы IBM Quantum Starling, первого отказоустойчивого квантового компьютера компании IBM

Система Starling представляет собой кульминацию исследований IBM в области отказоустойчивых квантовых вычислений. Основанная на Starling будет реализована модульная архитектура с использованием логических вычислительных блоков и универсальных адаптеров для достижения беспрецедентного масштаба вычислений. модульная архитектура с использованием логических вычислительных блоков и универсальных адаптеров для достижения беспрецедентного масштаба вычислений. [4]

Qiskit Evolution: Программное обеспечение для квантовых преимуществ

Сами по себе аппаратные достижения не могут обеспечить квантовое преимущество - они должны сочетаться с не менее совершенными программными возможностями. Пакет IBM Qiskit SDK с открытым исходным кодом продолжает устанавливать стандарты квантового программирования. Версия 2.2 обеспечивает прирост производительности, превосходящий возможности конкурирующих платформ.

Последние бенчмарки демонстрируют, что Qiskit SDK v2.2 транспилирует квантовые схемы в 83 раза быстрее, чем альтернативные фреймворков, таких как Tket 2.6.0. Это преимущество в производительности становится критически важным при работе со сложными схемами необходимых для приложений, использующих квантовые преимущества. [5]

Ключевые инновации в области программного обеспечения

C API и интеграция с высокопроизводительными вычислениями: Qiskit v2.x представляет API на языке C, который обеспечивает интеграцию с высокопроизводительными вычислительными средами. Новый интерфейс C++ позволяет квантово-классическим рабочим нагрузкам работать эффективно работать в распределенных вычислительных инфраструктурах.

Динамические схемы в масштабе: Расширенные аннотации к схемам позволяют использовать динамические схемы которые включают классические операции во время квантового выполнения. Эта возможность обеспечивает до 25% более точных результаты, снижая требования к двухквантовым затворам на 58%.

Усовершенствованное устранение ошибок: Новые инструменты, такие как Samplomatic и примитив исполнителя, позволяют сложные методы устранения ошибок, которые позволяют сократить накладные расходы на выборку более чем в 100 раз по сравнению со стандартными вероятностных методов устранения ошибок. [6]

Обновленная дорожная карта IBM 2025 Quantum Roadmap описывает путь к квантовым преимуществам и отказоустойчивости

Партнерство IBM-Cisco: Создание сетей для квантовых компьютеров

В ноябре 2025 года IBM и Cisco объявили о новаторском сотрудничестве по разработке сетевых распределенных квантовых вычислений. Цель этого партнерства - объединить несколько крупномасштабных отказоустойчивых квантовых компьютеров в единую вычислительную сеть к началу 2030-х годов. компьютеров в единую вычислительную сеть к началу 2030-х годов. [7]

Это сотрудничество решает одну из самых серьезных проблем масштабирования квантовых вычислений: как достичь вычислительной мощности, превышающей возможности отдельных квантовых систем. Благодаря объединению квантовых компьютеров в сеть, задачи, требующие триллионов квантовых ворот, становятся теоретически осуществимыми.

Техническая архитектура

Квантовое сетевое подразделение (Quantum Networking Unit, QNU): IBM разработает специализированные интерфейсы, преобразующие стационарную квантовую информацию в блоках квантовой обработки (QPU) в "летающую" квантовую информацию, которая может быть передана по сети. передавать через сетевые соединения.

Микроволново-оптические преобразователи: Эти устройства позволят передавать квантовые состояния на большие В перспективе квантовые компьютеры можно будет соединять между собой в разных зданиях или центрах обработки данных.

Сетевая разведка: Квантовая сетевая структура Cisco будет динамически перестраивать сетевые динамически перенастраивать сетевые маршруты и распределять ресурсы запутывания по требованию для поддержки сложных квантовых алгоритмов.

Партнерство нацелено на первоначальную демонстрацию концепции к 2030 году, а конечной целью является создание основополагающих технологий для квантового интернета к концу 2030-х годов.

Производство 300 мм: Производство в масштабе

Исследователь IBM держит в руках 300-миллиметровую пластину, содержащую несколько квантовых процессоров Nighthawk

Переход IBM на производство 300-миллиметровых пластин в комплексе Albany NanoTech представляет собой фундаментальный сдвиг в производстве квантовых процессоров. в производстве квантовых процессоров. Этот передовой объект позволяет IBM удвоить скорость исследований и удвоить скорость исследований и разработок, увеличив при этом сложность чипов в десять раз. [8]

300-миллиметровый производственный процесс объединяет современные полупроводниковые инструменты с квантовым опытом IBM, что позволяет параллельно выполнять несколько итераций проектирования. Такой подход уже позволил сократить время разработки процессора время разработки процессора как минимум вдвое, поддерживая при этом сложные архитектуры, необходимые для отказоустойчивых квантовых вычислений.

300-миллиметровая чистая комната в комплексе NY Creates' Albany NanoTech Complex, где производятся квантовые процессоры IBM

Декодер RelayBP: Исправление ошибок в реальном времени

Отказоустойчивые квантовые вычисления требуют возможностей исправления ошибок в реальном времени, которые могут декодировать синдром информацию быстрее, чем накапливаются ошибки. Декодер RelayBP компании IBM представляет собой прорыв в этой критически важной технологии. технологии, обеспечивая скорость декодирования менее 480 наносекунд - примерно в 10 раз быстрее, чем ведущие альтернативных подходов. [9]

Алгоритм RelayBP специально разработан, чтобы быть точным, быстрым, компактным и достаточно гибким для реализации на полевых программируемых вентильных матрицах (FPGA) или интегральных схемах, ориентированных на конкретные приложения (ASIC). Это достижение было выполнено на целый год раньше первоначального графика IBM, демонстрируя способность компании превышать свои обязательства по дорожной карте.

Покипси: Наследие компьютерных инноваций

Рендер центра обработки данных IBM в Покипси, где представлены современные квантовые системы и будущий компьютер Starling

В центре IBM в Покипси хранится наследие инноваций в области вычислительной техники, насчитывающее более восьми десятилетий. С момента своего основания в 1941 году это историческое место стало домом для новаторских разработок, включая IBM 701 (первый коммерческий компьютер компании, выпущенный в 1952 году), революционные мейнфреймы серии System/360 и самые передовые на сегодняшний день квантовые компьютеры.

В существующем Центре квантовых данных IBM в Покипси в настоящее время находятся самые мощные в мире квантовые компьютеры. доступные через IBM Quantum Platform. К 2029 году в этом центре будет размещена система Starling, представляющая собой следующую главу в истории замечательных вычислений в Покипси. [4]

Система IBM Quantum System Two установлена в центре обработки данных в Покипси, где в настоящее время находятся самые передовые в мире квантовые компьютеры (Фото: IBM, 2025 г.)

Конференция разработчиков Quantum 2025 от IBM

Временная шкала и прогнозы Quantum Advantage