IBM представила перший квантовий комп’ютер з виправленням помилок: Starling
Чотирирічний план розвитку для квантового комп’ютера з виправленням помилок
10 червня 2025 року компанія IBM представила детальний чотирирічний план розвитку для Starling, свого першого повністю квантового комп’ютера з виправленням помилок. Запланований до впровадження в 2029 році, Starling розроблений для виконання 100 мільйонів логічних операцій без некоректованих помилок на 200 логічних кубітах — це поворотний момент, що дозволить йому вийти за межі можливостей класичного моделювання.
Графік розвитку виглядає наступним чином:
- 2025 рік: Випуск тестових чіпів Nighthawk і Loon.
- 2026 рік: Процесор Kookaburra зі стабільною пам’яттю на 12 логічних кубітах.
- 2027 рік: Функціональний обчислювальний блок Cockatoo, що дозволяє масштабування з використанням декількох чіпів.
- 2028–2029 роки: Перші прототипи Starling переходять до виробничого середовища.
«Ми відповіли на наукові питання стосовно виправлення помилок — тепер це інженерне завдання», — зазначає Джей Гамбетта, IBM Fellow та віце-президент з квантового апаратного забезпечення.
Удосконалення квантового виправлення помилок: від важкої гексагональної решітки до LDPC-кодів
Історично платформа надпровідних кубітів IBM використовувала «важку гексагональну» решітку для мінімізації перехресних впливів, що обмежувало можливості кодів виправлення помилок. Для підтримки кодів з низькою щільністю парності (LDPC) — більш ефективних для захисту логічних кубітів — IBM здійснила інновації в двох напрямках:
- Багатошарова упаковка чіпів: Впровадження надпровідних черезсиліконових вісей та трьох шарів проводки для реалізації найближчих сусідніх та далеких зв’язків на площинному чіпі.
- Подавлення перехресних впливів: Перехід до щільної квадратної решітки (сімейство Nighthawk) з чергуванням заземлених площин та регульованими резонаторними фільтрами, що дозволяє знизити виміряні перехресні впливи нижче 1×10–4.
Ці досягнення лежать в основі розробки Loon — процесора з високою щільністю з’єднань, що планується до випуску наприкінці 2025 року, та Nighthawk, пристрою на 120 кубітів, оптимізованого для ітеративних експериментів.
Дорожня карта розвитку процесорів: Nighthawk, Loon, Kookaburra, Cockatoo
- Nighthawk (2025–2028): Щорічні оновлення, що підвищують кількість логічних операцій з 5,000 до 15,000. У 2026 році три чіпи з’єднуються (360 кубітів); у 2027 році масштабується до дев’яти (1,080 кубітів).
- Loon (Q4 2025): Демонстрація багатошарової упаковки: висока щільність з’єднань, далекий зв’язок та вертикальні з’єднання в одному чіпі.
- Kookaburra (2026): 144-кубітний двовимірний велосипедний код LDPC з відстанню 12, що містить 12 логічних кубітів для стабільної пам’яті. Альтернативна конфігурація на 288 кубітів з відстанню 18 також підтверджена.
- Cockatoo (2027): Функціональний обчислювальний блок, що поєднує модулі пам’яті Kookaburra з кубітами для ін’єкції магічного стану та універсальним мостом на чіпі для багаточіпового заплутування.
Показники продуктивності та цільові випадки використання
З фідельністю однокубітних та двокубітних вентилів, що перевищує 99.96%, та затримкою вимірювання синдромів менше 1 мікросекунди, логічний такт Starling прогнозується на рівні 10 мікросекунд. До бенчмарків алгоритмів входять:
- Квантова апроксимаційна оптимізація (QAOA): Оптимізація портфоліо при N=200 змінних.
- Варіаційний квантовий енергетичний розв’язувач (VQE): Моделювання каталізаторів перехідних металів з 150 електронами.
- Квантовий Фур’є перетворення (QFT): Підпрограми для перспективних досліджень криптоаналізу.
Масштабованість та інженерні виклики
Архітектура Starling складається з модульних охолоджувальних холодильників, з’єднаних за допомогою Універсального Мосту — одного мікрохвильового хвилеводу на кожну відстань коду — для когерентного з’єднання. Ключові елементи інженерії включають:
- Холодна електроніка CMOS: Спеціальні ASIC, що працюють при 4 К, для мінімізації кабелювання та зменшення теплового навантаження.
- Декодери FPGA в реальному часі: Декодер IBM на основі передачі повідомлень розподіляє витягнення синдромів по паралельним кластерам FPGA, забезпечуючи затримку менше 10 мікросекунд навіть при 200 логічних кубітах.
- Теплова та вібраційна ізоляція: Активне гасіння вібрацій та багатоступенева термічна прив’язка для збереження когерентності кубітів понад 100 мікросекунд.
Експертні думки та вплив на індустрію
За словами доктора Сари Шелдон (Лабораторія Лінкольна MIT): «Перехід IBM від кількості кубітів до функціональних обчислювальних блоків відповідає загальній тенденції інтеграції квантових процесорів у класичні суперкомп’ютерні середовища.»
У порівнянні, Sycamore компанії Google залишається на рівні NISQ (~54 кубіти), тоді як IonQ та Quantinuum займаються виправленням помилок за допомогою затриманих іонів з 32–64 логічними кубітами в дорожній карті. Модульний підхід IBM може прискорити впровадження в підприємствах через гібридні хмарні платформи.
Перспективи на майбутнє: Blue Jay та інші
Після Starling система IBM Blue Jay, яка запланована на 2033 рік, прагне досягти 2,000 логічних кубітів. Цей етап може дозволити повне виконання алгоритму Шора на ключах обсягом 4,096 біт, що стане квантовим проривом у криптоаналізі. Тим часом IBM продовжує вдосконалювати когерентність кубітів (T1 > 200 мікросекунд), фідельність вентилів (99.99%) та щільність упаковки для забезпечення наступного покоління технологій.
Додаткова секція: Інтеграція з хмарними та AI робочими процесами
Starling буде інтегрований у хмарну інфраструктуру IBM Quantum Cloud, надаючи RESTful API, відстеження квантового обсягу та гібридні робочі процеси з прискорювачами IBM Watson AI. Підтримка OpenQASM 3.0 та крос-платформені SDK забезпечать взаємодію з Qiskit, Cirq та Pennylane.
Додаткова секція: Прогрес у постачанні та виробництві
Співпраця IBM з виробниками чіпів призвела до створення нових надпровідних металевих сплавів (NbTiN) та ультранизьковтратних діелектриків. Сучасна ультрафіолетова літографія досягає ширини лінії 45 нм, що дозволяє отримувати сліди кубітів менше 100 мкм2. Кріогенна упаковка використовує масиви бондів з індію для понад 1,000 I/O каналів на чіп.
Додаткова секція: Стратегічні партнерства та розвиток екосистеми
IBM підписала угоди з Національною лабораторією Оук-Рідж для спільної розробки програмного забезпечення для виправлення помилок, а також з GlobalFoundries для високоякісного виробництва надпровідних пластин. Відкрита екосистема заохочує сторонній розвиток квантових алгоритмів у фінансах, матеріалознавстві та логістиці.