IBM объявила о новой модульной архитектуре криогенных систем, используемых в её сверхпроводящих квантовых компьютерах, стремясь преодолеть ограничения масштабирования квантовых процессоров на одном чипе. Конструкция основана на отдельных охлаждающих ячейках, которые можно соединять бок о бок, что позволяет передавать информацию между несколькими процессорами через квантовые и традиционные соединения, вместо того чтобы ограничивать операции одним процессором.
Сверхпроводящие квантовые компьютеры IBM работают при температурах ниже температуры внешнего космоса, поэтому для сохранения стабильности квантовых состояний на время, достаточное для выполнения вычислений, требуются рефрижераторы растворения (dilution refrigerators) и специализированные тепловые экраны. Компания считает, что увеличение числа кубитов требует не только более крупных процессоров, но и охлаждающей архитектуры, способной вместить несколько процессоров и соединить их, сохраняя тепловую стабильность.
От цилиндрических конструкций к соединяемым ячейкам
Современные квантовые системы обычно размещаются внутри изолированных вакуумных цилиндрических корпусов. Этот подход позволил IBM перейти от первого доступного через облако квантового компьютера в 2016 году, включавшего пять кубитов, к процессору IBM Quantum Condor, представленному в 2023 году и содержащему более 1000 кубитов. Однако масштабирование на одном чипе сталкивается с ограничениями, связанными с пространством, выделением тепла и нежелательными взаимными помехами между кубитами.
Вместо этого новые ячейки имеют коробчатую форму и изготавливаются из алюминиевых панелей и конструкций. Каждая ячейка включает полноценную охлаждаемую среду с собственной вакуумной камерой, охлаждающим оборудованием и специальными тепловыми экранами, а предусмотренные отверстия позволяют прокладывать квантовые кабели к соседним ячейкам. Размещение ячеек вплотную друг к другу помогает сократить пути соединений по сравнению с длинными соединениями между цилиндрическими корпусами.
Что меняется на практике?
Слои тепловой защиты спроектированы так, чтобы ограничить тепловое взаимодействие между соседними ячейками. По данным IBM, время охлаждения и стабильность температур должны оставаться примерно на прежнем уровне при добавлении новых ячеек, что позволяет расширять систему без снижения производительности вычислений. Кроме того, систему можно модернизировать по одной ячейке, вместо того чтобы заново проектировать всю охлаждающую архитектуру при внедрении новых квантовых процессоров или электроники.
Площадь, доступная для проводов в каждой ячейке, составляет около 0,53 квадратного метра, а объём вакуумной камеры достигает 2,75 кубического метра; при этом объём ячейки примерно втрое превышает объём обычного кухонного холодильника. Это пространство создаёт возможности для более крупных процессоров и более плотных конфигураций, а также позволяет разместить больше соединений и электроники в холодной среде.
Шаг к отказоустойчивым квантовым системам
IBM провела практическое испытание новой архитектуры, эксплуатируя две соединённые охлаждающие ячейки на своём объекте в городе Покипси, штат Нью-Йорк. Компания считает этот эксперимент первичной проверкой подхода, необходимого для создания многокристальных квантовых систем, способных распределять задачи между соединёнными процессорами или работать как единая более мощная система.
IBM рассматривает эту архитектуру как часть пути к IBM Quantum Starling, который компания описывает как первый отказоустойчивый квантовый компьютер и ожидает в 2029 году. Компания также ожидает, что будущие версии одной ячейки будут поддерживать не менее 2000 кубитов. Эти системы позволят исследователям тестировать компоненты модульной квантовой архитектуры IBM, включая соединители l-couplers, впервые представленные в 2024 году для связи квантовых процессорных модулей на расстоянии до одного метра.