Как работает первый квантовый компьютер IBM Q System One и каковы его возможности?

Как работает первый квантовый компьютер IBM Q System One и каковы его возможности?

В январе 2019 года IBM объявила о введении устройства IBM Q System One в предложение аппаратного обеспечения. Это квантовый компьютер IBM основан на 20-кубовом квантовом чипе, который помещен в корпус из многослойного боросиликатного стекла. Этот материал обеспечивает отличную изоляцию от радиоизлучения и колебаний температуры.

Система может быть размещена практически в любой серверной комнате. Что важно, вычислительная платформа, как независимый компонент, позволяет интегрироваться с уже существующей локальной вычислительной средой.

IBM Q System One включает в себя пакет программного обеспечения, уже используемый в IBM Q системах (например: IBM Q 20 Tokyo), общедоступный в IBM Cloud. Калибровка является одним из важнейших элементов решения, так как позволяет максимально использовать возможности системы и максимально контролировать параметры декогерентности системы.

Необходимость создания кубитов 

IBM Q System One предназначена для обеспечения максимальной стабильности и автоматизированного обслуживания для обеспечения повторяемости и предсказуемости запросов. В своих квантовых устройствах, IBM использует сверхпроводники типа Джозефсона (типа Al / AlOx / Al) для преобразования типичного RLC моста в агармонический осциллятор и четкого разделения квантовых состояний. Суперпозиция состояний — как и квантовая запутанность — осуществляется с помощью микроволновых генераторов, работающих с импульсами 10-100 нс с частотой около 5 ГГц.

Одной из проблем квантовых систем, является необходимость поддерживать высокое качество кубитов, используемых для квантовых расчетов. Частично это вызвано шумом машины, вибрацией, колебаниями температуры и электромагнитными волнами. Защита от таких помех является одной из многих причин, по которым квантовые компьютеры и их компоненты требуют тщательного проектирования и изоляции. Именно поэтому используются и применяются последние достижения криогенной техники, обеспечивающие максимальное охлаждение системы до 20 мК (-273,13 C). Только такая низкая температура обеспечивает стабильную работу всего устройства в течение около 100 микросекунд.

Важной частью новой системы IBM Q System One — герметичный корпус, который обеспечивает беспрепятственный доступ к устройству для технического обслуживания и возможной модернизации за счет использования системы «рототрансляции», позволяющей минимизировать время простоя. 

Как программировать квантовые алгоритмы?

Доступ к системе осуществляется через платформу, основанную на опыте использования IBM Q. Программирование выполняется с помощью квантового ассемблера OpenQASM. Также доступна графическая среда пользовательского интерфейса, позволяющая полностью свободно выстраивать квантовые алгоритмы. 

Другой возможностью программирования IBM Q System One, является использование готовых алгоритмов в рамках пакета AQUA, который фокусируется на 4 областях: квантовая химия, оптимизация, искусственный интеллект и финансы. Используются трансляторы квантовых адаптивных алгоритмов, таких как: VQE, QAOA.Varitional, QPE, IQPE, Grover, Amplitude Estimation. Это не гибрид в классическом смысле этого слова, а скорее комбинация квантовой вычислительной мощности, позволяющая заметно ускорять решение сложных NP-задач, т.е. тех, для которых трудно найти решение в ограниченное время с помощью классических компьютеров и стандартного программного обеспечения.

Моделирование и отладка квантового кода

Созданная вычислительная платформа, помимо квантового устройства, также состоит из систем моделирования, которые являются ее важной частью. Это значительно облегчает отладку квантового кода. Отладка является большой проблемой в такой среде, потому что измерение квантовой системы безвозвратно изменяет ее конечное состояние. Поэтому необходимо уметь заранее смоделировать квантовый код, работающий на традиционных машинах, для чего могут потребоваться специальные вычислительные ресурсы, однако, используя открытый фреймворк Quiskit, можно выполнить эту задачу даже на локальных серверах клиента.

Кто использует разработку Q System One

Построив эту систему, IBM надеется, что выполнение сложных квантовых расчетов (поведение системы, нелогичные алгоритмы, квантовое кодирование) станет достижимым не только для специализированных и привилегированных групп ученых, что откроет возможность использования квантовых систем во многих областях науки и бизнеса. Отличным примером является квантовая химия, где где библиотеки программ, содержащиеся в компоненте Qiskit Aqua, уже позволяют проводить вычислительное подтверждение экспериментальных данных и моделирование поведения больших молекул.

Одним из важных элементов экосистемы вокруг инициативы IBM Q, является создание так называемых IBM Q Hubs, которые становятся центрами образования, исследований, разработки и внедрения новых тенденций в области квантовых вычислений. Академические центры напрямую сотрудничают с IBM для развития области квантовых вычислений, а также для проведения междисциплинарных прикладных исследований и создания учебных программ Quantum Computing

Оставьте ответ

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Comments links could be nofollow free.