Квантові обчислення залежать від спеціалізованого апаратного забезпечення для створення та керування кубітами. Розробка цього обладнання є основною сферою досліджень та інженерії, де різні компанії та установи досліджують різноманітні підходи.
Типи кубітів і процесорів
Для створення кубітів використовуються різні фізичні системи, кожна з яких має свої переваги та виклики щодо масштабованості, когерентності та зв’язності.
- Надпровідні кубіти: Багато компаній, зокрема IBM і Google, використовують надпровідні кубіти. Вони вимагають надзвичайно низьких температур, холодніших за космос, що зазвичай досягається за допомогою дилюційних холодильників. IBM розробила процесори, такі як 433-кубітний IBM Quantum Osprey та 133-кубітний IBM Quantum Heron. Google також створив передові чіпи, як-от Willow, який вважається значним кроком до масштабних квантових обчислень із корекцією помилок.
- Захоплені іони: Цей підхід використовує заряджені атоми, які утримуються електромагнітними полями. Компанії, як-от Quantinuum, застосовують обладнання з іонними пастками.
- Нейтральні атоми: Компанії, такі як Pasqal, спеціалізуються на технології нейтральних атомів. Дослідники досягли високої точності двокубітних операцій на нейтральних атомах.
- Топологічні кубіти: Microsoft працює над топологічними кубітами, прагнучи створити новий тип кубітів на основі особливого матеріалу — топокондуктора, який формує топологічний стан речовини. Їхній процесор Majorana 1 використовує цей підхід і розроблений із захистом від помилок на апаратному рівні. Ця архітектура передбачає можливість розміщення мільйона кубітів на одному чіпі.
- Фотонні кубіти: Компанії Xanadu та PsiQuantum зосереджені на фотонних квантових обчисленнях.
- Кубіти Шредінгера: Компанія Alice & Bob розробляє ці кубіти, які захищають від бітових переворотів.
Архітектура та масштабування
Основним викликом у квантовому апаратному забезпеченні є масштабування кількості кубітів при збереженні їхньої когерентності та контролі взаємодій. Microsoft бачить шлях до створення мільйона кубітів. Google планує досягти цієї мети до кінця десятиліття. IBM прагне створити машину з 100 000 кубітів протягом 10 років і розробляє модульні та розширювані системи, які використовують високопродуктивні класичні комп’ютери (HPC) для квантоцентричних суперобчислень. Їхня дорожня карта зосереджена на збільшенні як кількості кубітів, так і “операцій із вентилями” — міри масштабу робочого навантаження. IBM також розробляє контролер кубітів cryo-CMOS із охолодженням до 4K для керування кубітами всередині холодильника.
Шлях до масштабних, відмовостійких квантових обчислень вимагає подолання інженерних викликів, таких як потужність охолодження, індивідуальний контроль кубітів у масштабі, швидкість обчислень, зв’язність і технологічність виробництва. Метою є перехід від нинішньої ери шумних квантових систем проміжного масштабу (NISQ) до стійких систем, де логічні кубіти захищені від шуму.
Квантові чіпи не працюють ізольовано. Вони функціонують у екосистемі, що включає логіку керування, криогенні системи (для деяких технологій) і програмний стек.
