IBM собрала квантовый холодильник

IBM сообщила о важном шаге в разработке оборудования для будущих квантовых компьютеров. На предприятии компании в Покипси (штат Нью-Йорк, США) инженеры объединили два криогенных модуля — установки для создания сверхнизких температур — в единую систему. Затем её охладили до температуры ниже 15 миллиКельвинов, то есть примерно на 0,015 градуса выше абсолютного нуля.

Абсолютный ноль — это теоретически минимальная возможная температура: −273,15 °C. Достичь его в реальности нельзя, но квантовым компьютерам на сверхпроводящих кубитах необходимо работать в непосредственной близости от этой границы. По данным IBM, достигнутая температура более чем в 180 раз ниже температуры глубокого космоса.

Компания считает эксперимент важной вехой на пути к IBM Quantum Starling — отказоустойчивому квантовому компьютеру, который IBM рассчитывает создать к 2029 году. Отказоустойчивость означает, что система сможет обнаруживать и исправлять ошибки, неизбежные при работе с хрупкими квантовыми состояниями.

Сейчас IBM охлаждает сверхпроводящие кубиты в высоких цилиндрических криостатах. В каждом таком корпусе размещается один процессор, и именно по этой схеме построены действующие системы IBM Quantum System One. Новая разработка не заменяет холодильную установку: инженеры изменили сам корпус. Вместо цилиндра используются прямоугольные криогенные ячейки из алюминиевых панелей и каркаса. Каждая по размеру примерно втрое больше обычного кухонного холодильника.

Прямоугольная форма нужна не ради дизайна, который никто не увидит. Такие модули можно ставить вплотную в ряд, тогда как цилиндрические корпуса требуют промежутков. Боковые отверстия позволяют проводить квантовые кабели из одной ячейки в другую. Несколько слоёв тепловой защиты образуют так называемый защищённый криогенный туннель: соединение между процессорами остаётся холодным, и сигналам не приходится выходить в тёплую среду, а затем снова возвращаться в зону охлаждения.

IBM продемонстрировала, что два ранее независимых охлаждающих модуля могут работать как единое пространство с низкой температурой. На каждую ячейку приходится 0,53 квадратного метра площади для размещения проводки и 2,75 кубического метра объёма вакуумной камеры. По оценке компании, это до 12 раз больше места для кабелей, чем в наиболее распространённых системах IBM.

Проблема здесь не в нехватке кубитов на рекламном плакате. Каждый добавленный сверхпроводящий кубит требует линий управления и считывания, которые должны спускаться в холодную область. Каждая линия приносит тепло, а цилиндрический корпус довольно быстро упирается в ограниченную площадь поперечного сечения. В результате пространство для проводки становится узким местом раньше, чем заканчиваются сами кубиты.

Новая конструкция должна помочь масштабировать связанные квантовые процессоры. IBM уже показывала физически более 1000 кубитов на одном чипе: процессор Condor достиг этого показателя в декабре 2023 года. Но физическое количество кубитов ещё не означает, что ими можно полноценно управлять и выполнять полезные вычисления.

Цель IBM на 2027 год — получить программируемые кубиты, распределённые между несколькими чипами и соединённые друг с другом. Это значительно сложнее, чем просто увеличить число элементов на одном кристалле. Компания признаёт, что план по созданию отказоустойчивой системы к 2029 году остаётся крайне амбициозным. Однако демонстрация новой криогенной архитектуры показывает: IBM пытается решить не только задачу «добавить ещё кубитов», но и более прозаичную — разместить все необходимые кабели, не прогрев при этом квантовую начинку.