Квантовые вычисления зависят от специализированного оборудования для создания и управления кубитами. Разработка такого оборудования является ключевой областью исследований и инженерных разработок, и различные компании и учреждения исследуют разнообразные подходы.
Типы кубитов и процессоров
Для реализации кубитов используются различные физические системы, каждая из которых имеет свои преимущества и сложности в плане масштабируемости, когерентности и связности.
- Сверхпроводящие кубиты: Многие компании, включая IBM и Google, используют сверхпроводящие кубиты. Они требуют экстремально низких температур, холоднее космоса, что обычно достигается с помощью дилюционных холодильников. IBM разработала процессоры, такие как 433-кубитный IBM Quantum Osprey и 133-кубитный IBM Quantum Heron. Google также создала передовые чипы, такие как Willow, который считается важным шагом к крупномасштабным квантовым вычислениям с коррекцией ошибок.
- Захваченные ионы: В этом подходе используются заряженные атомы, удерживаемые электромагнитными полями. Такие компании, как Quantinuum, применяют оборудование с ионными ловушками.
- Нейтральные атомы: Компании, такие как Pasqal, специализируются на технологии нейтральных атомов. Исследователи достигли высокой точности двухкубитных операций на нейтральных атомах.
- Топологические кубиты: Microsoft работает над топологическими кубитами, стремясь создать новый тип кубитов на основе особого материала — топокондуктора, который формирует топологическое состояние вещества. Их процессор Majorana 1 использует этот подход и разработан с учетом устойчивости к ошибкам на аппаратном уровне. Эта архитектура нацелена на возможность размещения миллиона кубитов на одном чипе.
- Фотонные кубиты: Компании Xanadu и PsiQuantum сосредоточены на фотонных квантовых вычислениях.
- Кубиты Шрёдингера: Разрабатываются компанией Alice & Bob, эти кубиты созданы для защиты от битовых переворотов.
Архитектура и масштабирование
Одной из главных проблем квантового оборудования является масштабирование количества кубитов при сохранении их когерентности и контроле их взаимодействий. Microsoft видит путь к созданию миллиона кубитов. Google планирует достичь этой цели к концу десятилетия. IBM стремится построить машину с 100 000 кубитов в течение 10 лет и разрабатывает модульные и расширяемые системы, использующие высокопроизводительные классические компьютеры (HPC) для квантоцентрированных супервычислений. Их дорожная карта сосредоточена на увеличении как количества кубитов, так и “операций с вентилями” — меры масштаба рабочей нагрузки. IBM также разрабатывает контроллер кубитов cryo-CMOS с охлаждением до 4K для управления кубитами непосредственно внутри холодильника.
Путь к крупномасштабным, отказоустойчивым квантовым вычислениям требует преодоления инженерных вызовов, таких как мощность охлаждения, индивидуальный контроль кубитов в масштабе, скорость вычислений, связность и производственные возможности. Целью является переход от текущей эры шумных квантовых систем промежуточного масштаба (NISQ) к устойчивым системам, где логические кубиты защищены от шума.
Квантовые чипы не работают изолированно. Они существуют в экосистеме, включающей логику управления, криогенные системы (для некоторых технологий) и программный стек.