IBM уперлась в неожиданное ограничение при масштабировании квантовых компьютеров: увеличивать нужно не только число кубитов, но и холодильник вокруг процессора. Компания представила новую модульную криогенную архитектуру , в которой привычные цилиндрические установки заменили прямоугольными охлаждаемыми ячейками. Несколько модулей можно поставить вплотную и связать между собой, превратив отдельные квантовые процессоры в единую вычислительную систему.
IBM использует сверхпроводящие кубиты, работающие при температуре, близкой к абсолютному нулю. Процессоры размещают внутри вакуумных криостатов с холодильниками разбавления, которые защищают квантовые состояния от тепла и других источников шума. Нарушение хрупкого состояния кубитов повышает количество ошибок и ограничивает сложность вычислений.
До сих пор подобное оборудование обычно помещали в изолированные цилиндрические криостаты. Подход позволил IBM пройти путь от первого облачного квантового компьютера с пятью кубитами в 2016 году до процессора Condor с более чем 1000 кубитами, представленного в 2023 году. Дальнейшее увеличение одного чипа сталкивается с нехваткой пространства, ростом тепловой нагрузки и перекрестными помехами между кубитами.
Поэтому IBM делает ставку на модульность. Вместо одного гигантского процессора будущие системы смогут распределять работу между несколькими связанными чипами. Квантовые и классические соединения позволят передавать информацию между процессорами, а отдельные модули смогут выполнять части общей задачи либо работать как более крупная объединенная система.
Новый криостат выглядит как крупный прямоугольный шкаф из массивных алюминиевых панелей и каркаса. Каждая ячейка образует самостоятельную криогенную среду с вакуумной камерой, системой охлаждения и тепловыми экранами. Размер одного модуля примерно втрое превышает обычный кухонный холодильник. Внутри предусмотрено около 0,53 квадратного метра площади для проводки и 2,75 кубического метра объема вакуумной камеры. Пространства хватит для более крупных одиночных процессоров и более плотной компоновки оборудования.
Прямоугольная форма решает еще одну проблему старых криостатов. При использовании отдельных цилиндрических установок процессоры приходится соединять сравнительно длинными линиями, способными вносить дополнительный шум. Новые ячейки устанавливаются непосредственно рядом, поэтому длину соединений можно сократить.
Для передачи квантовой информации IBM предусмотрела специальные отверстия между соседними модулями. Через отверстия проходят квантовые кабели, а несколько слоев тепловой защиты соединяются в закрытый криогенный тоннель. Тоннель сохраняет необходимую температуру на всем пути между процессорами. Конструкция одновременно уменьшает тепловое влияние соседних ячеек друг на друга. По данным IBM, подключение дополнительных модулей не должно заметно менять время охлаждения и стабильность температуры.
Компания уже перешла от чертежей к экспериментальной установке. Два прототипа модульных криостатов успешно соединили и запустили на квантовой площадке IBM в Покипси, штат Нью-Йорк. Испытание стало первой практической проверкой архитектуры, рассчитанной на постепенное расширение квантовой системы без полной замены холодильной инфраструктуры. Отдельные ячейки также можно будет модернизировать независимо друг от друга.
Модульные холодильники тесно связаны с другой технологией IBM, позволяющей объединять квантовые чипы на расстоянии. В 2024 году компания продемонстрировала l-couplers, длинные квантовые соединители для передачи состояний между отдельными процессорами. Экспериментальная система Flamingo связала два процессора Heron R2 четырьмя соединителями длиной до одного метра. IBM рассматривает подобные соединения как один из ключевых элементов будущей модульной архитектуры.
Новые криостаты понадобятся не только для объединения существующих чипов. IBM рассчитывает, что будущие версии каждой отдельной ячейки смогут обслуживать тысячи кубитов, значительно больше количества кубитов на любом одиночном процессоре, выпускаемом компанией сейчас. Дополнительный объем также пригодится для более плотной проводки, управляющей электроники и новых типов межпроцессорных соединений.
Конечной целью разработки выступает IBM Quantum Starling , первый крупномасштабный отказоустойчивый квантовый компьютер компании. IBM планирует построить Starling в Покипси к 2029 году. Согласно дорожной карте, система должна работать с 200 логическими кубитами и выполнять квантовые схемы объемом до 100 млн вентилей. Логические кубиты формируются из групп физических кубитов и позволяют обнаруживать и исправлять ошибки во время вычислений.
Модульность для Starling принципиальна: архитектура отказоустойчивого компьютера IBM предусматривает набор заменяемых квантовых модулей, связанных между собой. В 2028 году компания намерена продемонстрировать работу нескольких модулей с логическими операциями, а в 2029 году довести Starling до заявленных 200 логических кубитов и 100 млн вентилей.
Новая система охлаждения поэтому решает гораздо более серьезную задачу, чем изменение формы корпуса. IBM пытается превратить криогенную инфраструктуру из ограничения для роста в модульную основу квантового дата-центра, где новые процессоры и холодильные ячейки можно добавлять по мере развития оборудования. Успешная работа двух соединенных прототипов показывает, что компания уже начала проверять подобную схему на практике.