Квантовые компьютеры долгое время оставались скорее теоретической концепцией, чем практическим инструментом. Основная проблема заключалась в высокой чувствительности квантовых систем к ошибкам и сложности их контроля. Однако последние достижения IBM открывают новые перспективы в этой области.

Изначально гонка в квантовых вычислениях фокусировалась на увеличении числа кубитов — квантовых битов, являющихся базовыми единицами квантовых вычислений. IBM была одним из пионеров, достигнув впечатляющей отметки в 1000 кубитов. Однако практика показала, что простое наращивание количества кубитов не решает фундаментальных проблем: каждый кубит становился потенциальным источником ошибок, что делало сложные вычисления практически невозможными.

В настоящее время IBM работает над высокоэффективной платформой для квантовых вычислений в которой постепенно повышается производительность и снижается количество ошибок в вычислениях. Несмотря на то, что эксперты полагают, что полноценные квантовые вычисления без ошибок станут реальностью только к концу десятилетия, IBM нацелена найти новые методы повышения уровня квантовых вычислений уже сегодня. В компании уверены, что квантовые технологии могут решать важные задачи и скоро им удастся минимизировать возникающие ошибки.

Инженеры IBM значительно увеличили количество кубитов в своих процессорах. Недавно IBM стала одной из первых компаний, достигших 1000 кубитов. Но на ранних этапах каждый из этих кубитов был подвержен ошибкам, и любое сложное вычисление на таких процессорах имело высокую вероятность сбоя. Чтобы преодолеть эту проблему, специалисты сместили фокус на повышение качества менее мощных процессоров, улучшая их производительность и точность. На недавней презентации IBM представила вторую версию своего процессора Heron, включающую 133 кубита. Такое количество кубитов уже выходит за пределы возможностей симуляции на классических компьютерах, при условии минимального уровня ошибок.

Как объяснил вице-президент IBM Джей Гамбетта, главная задача второй версии Heron — устранение так называемых ошибок TLS (двухуровневых систем). Такие ошибки возникают из-за дефектов в электронной структуре на поверхности процессора, которые могут взаимодействовать с кубитами, приводя к их потере когерентности. IBM решает эту проблему с помощью точной настройки частот, на которых работают кубиты, что позволяет избежать нежелательных взаимодействий с дефектами.

Помимо аппаратных улучшений, IBM полностью переписала программное обеспечение, которое управляет вычислительным процессом. В результате время обработки квантовых операций сократилось в разы — задачи, ранее занимавшие 122 часа, теперь решаются всего за несколько часов. Это изменение не только выгодно для клиентов, оплачивающих время работы на оборудовании, но и снижает вероятность случайных ошибок, так как вычисления выполняются быстрее.

Однако даже с усовершенствованным оборудованием вероятность ошибок при сложных вычислениях сохраняется. IBM развивает технологию исправления ошибок, но параллельно работает над методами их смягчения. В 2022 году компания впервые представила подход, при котором уровень шума в системе искусственно увеличивается, а затем измеряется на разных уровнях. На основе этих измерений создаётся модель, которая позволяет спрогнозировать результат вычислений без учета шума. Это снижает негативное влияние ошибок на результат, но такие вычисления требуют значительных ресурсов и становятся сложнее с увеличением числа кубитов.

Чтобы облегчить выполнение этих операций, IBM оптимизировала работу алгоритмов и добавила поддержку графических процессоров (GPU), что позволило увеличить масштаб квантовых цепей, с которыми можно работать, до новых уровней.

Применив свои последние разработки, IBM смоделировала простую квантовую систему — модель Изинга, выполнив успешно 5000 квантовых операций (гейтов) и получив точные результаты. Гамбетта отметил, что при использовании этих технологий с точностью 10% удается оценить наблюдаемые параметры, что уже позволяет исследователям моделировать электронную структуру простых химических соединений, таких как соединения железа и серы.

IBM признаёт, что квантовые компьютеры пока не способны стабильно работать и превзойти классические решения. "Преимущество квантовых технологий станет очевидным, когда квантовый метод однозначно обойдет все классические методы", — поясняет Гамбетта. По его мнению, это сложный научный вопрос, требующий работы не только инженеров и алгоритмистов, но и специалистов из различных научных областей. Он отметил, что достижение устойчивого превосходства квантовых вычислений над классическими потребует нескольких лет и будет зависеть от непрерывных улучшений как в квантовых, так и в классических алгоритмах.

На данный момент IBM готова продолжать исследования и постепенные улучшения, открывающие перед учеными новые возможности и приближающие эру полноценной работы квантовых технологий в реальных научных и промышленных задачах.