У 2021 році компанія IBM представляла Eagle, свій квантовий процесор зі 127 кубітами. А буквально днями представники IBM анонсували новий процесор, Osprey, кількість кубітів у якому втричі перевищує кількість його попередника. Прогрес, який за рік продемонстрували фахівці IBM, вказує на те, що вони знаходяться на правильному шляху до створення першого у світі універсального квантового процесора Condor, який матиме понад тисячу кубітів і який має з’явитися у 2023 році.
Лінійка квантових процесорів, створених компанією IBM, неухильно підпорядковується відомому закону Гордона Мура. Перший експериментальний квантовий процесор, який у 2016 році був доступний у вигляді хмарного сервісу, налічував всього 5 кубітів, надпровідних елементів, охолоджених до температури 20 мК. У 2019 році компанія IBM анонсувала процесор Falcon з 27 кубітами, у 2020 – 65 кубітовий Hummingbird, а у 2021 році 127-кубітовий Eagle.
Основною стратегією, яка розпочалася з процесора Eagle і продовжила розвиватися в процесорі Osprey, є поділ за окремими шарами чіпа компонентів, необхідних для керування та зчитування стану кубітів. Таке багаторівневе розведення дозволяє захистити крихкі кубити від згубного впливу ззовні, що дозволяє створювати процесори з великою кількістю кубитів.
Однак процесор Osprey має дві основні переваги в порівнянні з попередником, процесором Eagle. Перша перевага полягає в заміні “люстри” з великої кількості мікрохвильових кабелів та хвилеводів гнучкими стрічковими кабелями, дуже схожими на ті, які ви можете побачити, відкривши нутрощі свого ноутбука або мобільного телефону. Самі стрічкові кабелі орієнтовані для роботи при кріогенних температурах, а їх електричний і тепловий опір оптимізовано для роботи з мікрохвильовими сигналами так, щоб тепло, що виділяється, не змогло дістатися і зруйнувати крихкий квантовий стан кубитів.
Другою перевагою Osprey перед Eagle є керуюча електроніка нового покоління, яка генерує та відправляє мікрохвильові сигнали безпосередньо у квантовий процесор, отримує та обробляє сигнали від нього. Перше покоління такої електроніки, яке використовувалося у 2019 – 2021 роках, було універсальне і мало велику гнучкість. Електроніка управління Osprey є більш спеціалізованою й адаптованою для управління конкретним квантовим пристроєм.
Основою електроніки, що управляє, є чіп контролера, виготовлений за технологією cryo-CMOS з 14-нм транзисторами FinFET, що працює при температурі 4 Кельвіна. Схема чіпа побудована за принципом ASIC (application-specific integrated circuit), і він вимагає для роботи набагато менше енергії, ніж чіпи на основі універсальних програмованих логічних матриць FPGA, які використовуються раніше. “Тепер замість 100 Ватів на кубіт система управління споживає всього 10 мВт” – пишуть представники IBM, – “І це дозволяє нам розмістити в одному чіпі набагато більшу кількість кубитів”.
Крім перерахованого вище, кардинальні зміни торкнулися також алгоритми обробки квантової інформації, алгоритми моніторингу стану кубітів і процесора в цілому, драйвера периферійних пристроїв, що призвело до підвищення швидкодії квантової системи в цілому. Для оцінки швидкодії зараз використовується параметр CLOPS (circuit layer operations per second), і фахівцям IBM вдалося за весь час досягти збільшення продуктивності з 1400 до 15000 CLOPS.
“Кожне зі зроблених нами поліпшень окремо призводило лише до невеликого збільшення продуктивності” – пишуть представники IBM, – “Але як тільки ми прибрали всі вузькі місця, продуктивність системи збільшилася одним великим стрибком”.
Перш ніж процесор Osprey стане доступним для використання в хмарному сервісі, фахівцям IBM доведеться зробити ще масу роботи з калібрування та налаштування електронної системи управління. “Ми плануємо появу Osprey у хмарі до середини наступного року”. Джерело