Традиційні комп’ютери блідіють у порівнянні з цими квантовими комп’ютерами, в той час як перший зберігає та обробляє дані в двійкових бітах, у вигляді нулів та одиниць, другий використовує кубіти, які можуть дорівнювати нулю, одиниці або обом одночасно. Це експонентно збільшує обчислювальну потужність для кожного доданого кубіту, дозволяючи їм потенційно виконувати обчислення, які неможливі для звичайних комп’ютерів.

Маючи потужність 433 кубіти, IBM Osprey є найпередовішим квантовим процесором у світі з великим відривом. Він пакує вдвічі більше кубитів, ніж попередній рекордсмен – Xanadu Borealis, який був протестований з 216 кубітами, і більш ніж утричі більше, ніж власний Eagle від IBM, який запакував 127 кубітів.

Osprey має архітектуру, аналогічну своєму попереднику, що складається з одного шару кубітів поверх кількох шарів проводки, що управляє, що допомагає втиснути більше кубітів при одночасному зниженні частоти їх помилок. Додана інтегрована система фільтрації, яка допомагає знизити рівень шуму та підвищити стабільність роботи пристрою.

IBM заявляє, що можливості цієї машини з обробки чисел набагато перевершують можливості будь-якого традиційного комп’ютера, стверджуючи, що для представлення стану на процесорі Osprey звичайному комп’ютеру потрібно більше бітів, ніж атомів у відомому Всесвіті.

IBM також оголосила про інші зміни у своїх квантових системах. З боку програмного забезпечення було покращено виправлення помилок, і користувачам було надано можливість легшого вибору між підвищеною швидкістю чи точністю. Загальне апаратне забезпечення системи управління було модернізовано для управління 400 кубітами на стійку за нижчою ціною, ніж попередніх версіях.

Хоч би якими вражаючими були оновлення цього року, IBM вважає наступний рік справжнім поворотним моментом. У дорожній карті компанії говориться, що квантовий процесор Condor наступного року матиме вражаючі 1121 кубіт. Також на картах є модульний процесор під назвою Heron, який може поєднувати кілька 133-кубітних блоків для створення більш потужних квантових процесорів.

До кінця 2023 року заплановано випуск IBM Quantum System Two. Ця модульна система стане основою квантових суперкомп’ютерів компанії, вміщуючи кілька процесорів із каналами зв’язку між ними. Все це сходинки на шляху до планів IBM щодо створення квантової системи з більш ніж 4000 кубітами до 2025 року.

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