IonQ: архитектура «шагающего кота» для будущих отказоустойчивых квантовых компьютеров

Совокупные государственные инвестиции в квантовые технологии в настоящее время превышают 56 миллиардов долларов во всем мире. Частные инвесторы добавили почти на 5 миллиардов долларов больше в 2025 году, что более чем в два раза больше, чем в предыдущем году. IonQ лидировал в этой области на каждом этапе, последовательно выполняя свою дорожную карту, в то время как остальная часть отрасли работает, чтобы идти в ногу.

Весь этот капитал набирает обороты в один момент: полная, строительная инженерная спецификация для сболезненного квантового компьютера, против которого команда может фактически выполнить. Этот момент настал.

Аппаратные возможности, которые требуется этой машине, уже были экспериментально продемонстрированы: высокоточные двухкубитные ворота и надежный ионный транспорт. IonQ активно масштабирует количество физических кубитов до тысяч, необходимых для его запуска. Архитектура пешеходных кошек - это спецификации. В 1945 году в проекте доклада Джона фон Неймана о EDVAC была сформулирована архитектура хранимой программы, на которой был построен каждый классический компьютер. Это не было теоретическим предложением. Это была полная инженерная спецификация. Эта статья является квантовым эквивалентом: первый сквозной план для отказоустойчивого квантового компьютера, основанного на реалистичных инженерных ограничениях, охватывающий компилятор, логическую архитектуру и микроархитектуру для машины, способной запускать миллионы вентилей на сотнях логических кубитов. Точно так же, как архитектура фон Неймана не описывала ни одной машины, но основу эпохи, этот проект предназначен для масштабирования: это рамка IonQ будет основываться на нашей цели 2030 года в 2 миллионах физических кубитов и 80,000 логических кубитов.

Архитектура названа в честь того, что она делает на физическом уровне: кошачьи состояния, ходьба.

• «Кошка» относится к кошачьим состояниям, определенному классу квантового ресурсного состояния, используемому для выполнения отказоустойчивых логических измерений. Квантовый компьютер не может читать логический кубит напрямую, не разрушая квантовое состояние, которое он пытается защитить. Кошачьи состояния решают эту проблему: они действуют как зонды, отправляются взаимодействовать с логическими кубитами, чтобы проверить ошибки, сообщая, что пошло не так, не разрушая базовые вычисления. Концепция восходит к мыслевому эксперименту Эрвина Шредингера 1935 года, который породил (и, возможно, убил) знаменитую кошку. Когда Питер Шор написал одну из первых отказоустойчивых схем квантовых коррекции ошибок в 1996 году, он выбрал кошку в качестве естественного прозвища для этого конкретного ресурса, хотя с тех пор она редко использовалась в практических архитектурах.
• «Ходьба» описывает, как эти состояния движутся: ионы физически перемещаются через чип квантового устройства с зарядовой связью (QCCD) через сетку специализированных зон, путешествуя по выделенным зонам ворот, где выполняются двухкубитные операции, и оптические зоны, где происходят измерения и сброса. Поскольку любой ион может быть направлен в любую зону на чипе, архитектура достигает любого подключения кубита через движение, а не фиксированную проводку. Несколько зон работают одновременно по всему чипу. Архитектура масштабируется путем добавления зон, а не проводов.

В статье прямо говорится о том, что она намеревалась сделать:

Сквозной план архитектуры FTQC, основанный на современных квантовых кодах коррекции ошибок и разработанный с учетом реалистичных инженерных ограничений, все еще отсутствует в литературе. В этой работе мы преодолеваем этот разрыв.

Это план, который IonQ будет использовать для построения эры отказоустойчивости.

Это первый в серии из семи частей, прорабатывая архитектуру систематически. То, что следует, уходит глубоко на каждый слой.

Архитектурные варианты, которые следуют, имеют общую цель. В аварийно-устойчивом уровне центральным драйвером затрат является накладные расходы: сколько физических кубитов потребляется для поддержания одного надежного логического кубита, и сколько времени требуется для выполнения операции — не один физический вент, а полная логическая операция. Выбранные семейства кодов, унифицированная структура и структура компонентов являются прямым ответом на эту проблему. В статье представлены примеры конфигураций, охватывающих от 102 до 220 логических кубитов, достижимых с физическим количеством кубитов от нескольких тысяч до десятков тысяч. Эти конфигурации работают по консервативной логической цели частоты ошибок и являются доказательственными точками системы, которые могут быть построены, а не требования к производительности. Архитектура также поддерживает конфигурации с более высокой частотой ошибок, которые требуют меньше кубитов на логического кубита, различные компромиссы с точностью для скорости и другие варианты, которые мы можем сделать в соответствии с различными конкретными потребностями и вариантами использования, все из одного и того же базового физического оборудования и модульной архитектуры. Эта конфигурируемость является причиной того, что вы видите разные числа в разных местах в этом блоге и вспомогательной статье — архитектура поддерживает множество позиций на этих слайдерах с минимальными переработками, что позволяет нам продолжать двигаться к лучшей конфигурации (или конфигурациям!) Это приводит к наибольшему количеству приложений с течением времени.

Что отличает пешеходного кота

Предыдущие работы с квантовой архитектурой обычно попадают в одну из двух категорий: теоретические предложения, которые касаются одного слоя стека, или проекты, которые оптимизируют производительность, смешивая различные семейства кодов между компонентами, выбор, который добавляет инженерную сложность, которая редко переживает переход от бумаги к физической машине. Архитектура ходячих кошек использует другой подход, организованный вокруг четырех принципов, называемых HMRS: иерархия, модульность, регулярность, взятые непосредственно из классической компьютерной архитектуры. К ним мы добавляем Simplicity, чтобы подчеркнуть, что цель состоит в том, чтобы построить эту машину на практике, а не в принципе. Аббревиатура произносится как «молотобойцы», название, которое отражает, насколько необоротными являются эти принципы для дизайна. Каждый выбор компонентов в архитектуре восходит к одному из них.

• Иерархия структурирует машину в три различных слоя: компилятор, логическая архитектура и микроархитектура, каждое здание на одном из них ниже. Изменение схемы коррекции ошибок в логическом уровне требует только обновления оценок затрат ресурсов, переданных компилятору, а не редизайна самого компилятора. Улучшения оборудования на уровне микроархитектуры не делают логической архитектурой над ним. Каждый слой может развиваться самостоятельно.
• Модульность означает, что компоненты работают независимо и взаимодействуют исключительно через ресурсные состояния, произведенные в одном компоненте и потребляемые в другом. Кошачьи состояния, магические состояния, утверждает Белл: каждый производится на специализированной фабрике и транспортируется туда, где это необходимо. Волшебная фабрика производит ресурсные состояния, необходимые для не-Клиффордских ворот. Кошачья фабрика производит кошачьи состояния, необходимые для логических измерений. Также не нужно знать, как работает другой. Это то, что позволяет машине выполнять различные операции одновременно по всему чипу.
• Регулярность означает одно и то же компоненты, неоднократно переплетающиеся по всему оборудованию. Блоки памяти, волшебные фабрики и кошачьи фабрики имеют одинаковые семейства кодов и транспортные механизмы. Трехкольцевая фреймворка, используемая в блоке памяти, повторно используется на фабрике по производству магических фабрик и кошек. Один и тот же язык дизайна применяется везде, что делает архитектуру предсказуемой для создания и простой для проверки в масштабе.
• Простота - это то, где архитектура гуляющей кошки делает свой самый последовательный выбор. Предыдущие архитектуры обычно объединяют топологические коды, поверхностные коды и коды LDPC между различными компонентами, каждый из которых требует своих собственных интерфейсов, логики исправления ошибок и декодера. Ходячий кот использует одну структуру. Блоки памяти, волшебные фабрики и кошачьи фабрики — все они взяты из одних и тех же семейств кодов: обобщенные велосипедные коды, двуважные велосипедные коды и циклические коды гиперграфических продуктов. Один и тот же дизайн кода регулирует как память, так и магические заводские компоненты. Один декодер обрабатывает все из них. В результате меньше интерфейсов, меньше точек сбоя и машина, которая может быть аргументирована как единое целое, а не как набор взаимосвязанных подсистем.

Архитектура в трех слоях

Управление машиной такой сложности требует четких границ между ее слоями. Архитектура ходячих кошек рисует три: компилятор, логическая архитектура и микроархитектура, каждая из которых может быть спроектирована, протестирована и улучшена, не нарушая других. Это то же самое разделение проблем, которое поддерживало классические компьютерные архитектуры в течение десятилетий изменений в аппаратном обеспечении.

Вверху компилятор берет квантовую программу высокого уровня и разлагает ее на последовательность логических инструкций. Внизу микроархитектура отображает эти инструкции в наборе инструкций устройства базового чипа QCCD. В середине находится логическая архитектура, которая определяет, что делают инструкции, и организует пять типов компонентов, которые их осуществляют: блоки памяти, которые хранят логические кубиты при непрерывной коррекции ошибок, волшебные фабрики, которые производят ресурсные состояния, необходимые для не-Клиффордских ворот, кошачьи фабрики, которые генерируют состояния кошек, необходимые для логических измерений, фабрики Bell, которые соединяют компоненты по чипу, и кубитная фабрика.

Полное подключение блоков и полный параллелизм блока являются особенностями логической архитектуры: любая двухблочная операция может быть назначена любой паре блоков независимо от физического расстояния, и любая комбинация логических инструкций, действующих на разных блоках, может выполняться одновременно. Это значительно более гибко, чем архитектуры с фиксированной связью, которые обычно ограничены ближайшими ближайшими блоками.

Построен на оборудовании, которое уже существует

Архитектура пешехода IonQ разработана специально для двух возможностей, которые были экспериментально продемонстрированы на оборудовании QCCD, захваченном в ловушке: точность двухкубитных ворот выше 99,99% и надежный ионный транспорт. Оба являются возможностями, которых уже достигли коммерческие системы, а не амбициозные цели для будущих поколений оборудования.

Верность высоких ворот имеет значение конкретно потому, что она позволяет готовить состояние кошки в нескольких попытках, процесс, называемый после отбора. Если подготовка требует много повторных попыток, накладные расходы сделают систему непрактически медленной. Ионный транспорт имеет значение, потому что коды LDPC требуют связи с кубитом, которое выходит за рамки ближайших соседей. Сверхпроводящие системы достигают этого с помощью физически дальних соединителей, которые налагают производственные ограничения. Ловящие ионные системы достигают его естественным образом за счет ионного шаттла, который архитектура гуляющей кошки рассматривает как первоклассный дизайн.

В статье говорится об этом прямо: он направлен на то, чтобы предоставить «план, позволяющий осуществить этот прорыв, включая полное описание компонентов и подкомпонентов архитектуры и тщательное моделирование их производительности».

Эти требования не являются случайными для дизайна. Архитектура была построена вокруг того, что захватываемые ионные системы делают естественным образом, и IonQ уже продемонстрировал оба способа в масштабе, который требует этот проект. IonQ подошел к каждому этапу своей дорожной карты одинаково: продемонстрировал базовую способность, а затем опирался на нее. Архитектура ходячих кошек следует той же логике.

Проблеск того, что становится возможным

Чтобы заземлить архитектуру в практическом применении, в статье собрано конкретное моделирование: гейзенбергское гамильтоноводное моделирование случайного 7-градусного обычного графа, класс вычислений материаловедения, относящихся к пониманию неупорядоченных магнитных систем, таких как спиновые стекла. Статья характеризует этот класс проблемы как классически неразрешимый в соответствующих масштабах и вне досягаемости для машин NISQ, требующих миллионов квантовых вентилей.

Составленный на экземпляр архитектуры ведущего кота с примерно 10,000 физических кубитов, предполагаемое время выполнения для достижения химической точности (точный порог, при котором результаты квантового моделирования достаточно надежны для информирования исследований в области материаловедения) составляет порядка одного месяца. Эти оценки являются консервативными, основаны на продемонстрированных производительности оборудования сегодня и не скорректированы с учетом ожидаемых улучшений производительности по мере масштабирования систем IonQ. Значение структурно: тот же класс архитектуры, который может быть построен из десятков тысяч физических кубитов, по прогнозам, поместит классически трудноразрешимые проблемы в пределах досягаемости.

В статье также демонстрируется компиляция алгоритма поиска периода Шор для 20-битного целого на 102-кубитную инстанцию для пешеходной кошки, подтверждая, что логический ISA архитектуры является универсальным и что стек компилятора может переводить реальные квантовые алгоритмы от конца до конца.

От теории к плану

Эта статья IonQ открывает книги. Не о том, как может выглядеть отказоустойчивость квантовый компьютер или чего теоретически можно достичь. О том, что мы строим, как мы его строим, и почему выбор, который мы сделали, производит машину, которая может быть изготовлена на оборудовании, которое существует сегодня. Компилятор указан. Уточнена логическая архитектура. Микроархитектура уточняется. Декодер реализован и смоделирован. Конструкции компонентов завершены. Это архитектура, которую IonQ будет использовать для построения отказоустойчивой эры, и эта серия будет работать через каждый ее слой в деталях.

Об этой серии

«Архитектура ходячей кошки» охватывает полный стек от компилятора до чипа в шести существенных технических секциях, каждый из которых представляет собой глубину инженерных деталей, которые требуют его собственной обработки. Вот что охватывает серия:

Пост 2: Архитектурная модель. Движущаяся кубитная модель, которая формирует физический ISA, шумовую модель и принципы проектирования, которые формируют каждый компонент.

Пост 3: Логическая архитектура. Блоки памяти, волшебные фабрики, кошачьи фабрики, фабрики Bell, фабрики кубитов и логическая инструкция определяют архитектуру.

Пост 4: Внедрение компонентов. Фреймворк памяти с тремя кольцами, схемы извлечения синдрома, гаджеты для коррекции ошибок и потерь и дизайн кошачьей фабрики.

Пост 5: Микроархитектура. Как логические инструкции отображают операции с чипом QCCD, микроархитектуру памяти и микроархитектуру кошачьей фабрики.

Post 6: Компиляция и приложения. Логический компилятор, симуляция Гейзенберга в полном объеме и поиск периода Шора: бенчмарки, которые ставят отказоустойчивые возможности в конкретные термины.

Post 7: Обогащение и дорога впереди. Обогащенная архитектура пешеходной кошки с поперечными и циклическими воротами, база данных кода и то, что архитектура делает возможным дальше.

Примечание для инвесторов относительно прогнозных заявлений

Настоящий пресс-релиз содержит прогнозные заявления. Все заявления, содержащиеся в этом пресс-релизе, кроме заявлений об исторических фактах, являются прогнозными заявлениями, включая заявления о совершенствовании IonQ технологии квантовых вычислений, дорожной карте IonQ по переносимости и квантовым вычислениям коммунального масштаба, а также влиянию IonQ на индустрию квантовых вычислений. В некоторых случаях вы можете идентифицировать эти утверждения по прогнозным словам, таким как «сбор», «укрепление», «масштаб», «разблокировка», «выполнить», «blueprint», «прорыв», «транзис», «транзакция», «заблаговременно», «ожидать», «предвидеть», «предполагать», «планировать», «верить», «намерение», «намерение», «оценивать», «оценивать». Эти заявления являются лишь прогнозами, основанными на наших ожиданиях и прогнозах относительно будущих событий на дату настоящего пресс-релиза, и подвержены ряду рисков, неопределенностей и предположений, которые могут оказаться неверными, любые из которых могут привести к тому, что фактические результаты будут существенно отличаться от тех, которые выражены или подразумеваются такими заявлениями, в том числе, среди прочего, те, которые описаны в разделе «Факторы риска» в наших последних заявках в Комиссию по ценным бумагам и биржам. Время от времени возникают новые риски, и наше руководство не может предсказать все риски, а также не может оценить влияние всех факторов на наш бизнес или степень, в которой какой-либо фактор или сочетание факторов может привести к тому, что фактические результаты будут существенно отличаться от тех, которые содержатся в любом прогнозном заявлении, которое мы делаем. Инвесторам рекомендуется не чрезмерно полагаться на любые такие прогнозные заявления, которые говорят только о дате, когда они сделаны. За исключением случаев, когда иное требуется по закону, мы не берем на себя никаких обязательств по обновлению любого прогнозного заявления, будь то в результате новой информации, будущих событий или иным образом.

Телеграм: t.me/ainewsline

Источник: www.ionq.com

Комментарии: