IBM создает первый в мире отказоустойчивый квантовый компьютер — IBM Quantum Starling. Запуск Starling запланирован на 2029 год, система будет способна выполнять квантовые цепи, состоящие из 100 миллионов квантовых операций на 200 кубитах.
Архитектура Starling была описана в работе 2025 paper, в которой представлен путь к достижению отказоустойчивости за счет создания аппаратного обеспечения для реализации двумерных велосипедных квантовых кодов с малой плотностью проверок на четность (qLDPC) для исправления ошибок, представленных IBM в работе 2024 Nature publication. Крайне важно, что код реализован в модульном исполнении, что обеспечивает масштабируемость, выходящую за рамки того, чего можно было бы достичь с помощью монолитной архитектуры.
Модульная архитектура, подробно описанная в документе, предлагает сокращение требований к ресурсам на порядок по сравнению с предыдущими подходами. При той же частоте логических ошибок qLDPC-архитектура Starling требует примерно в 10 раз меньше физических кубитов. Она построена путем сборки модулей, каждый из которых содержит квантовую память и логический процессорный блок (LPU), что позволяет выполнять логические операции с памятью. Модификации имеют универсальные адаптеры, позволяющие соединять их с помощью l-ответвителей. Кроме того, сложные модульные криогенные системы и системы управления размещают модули и обеспечивают их работу при сверхнизких рабочих температурах.
Ниже мы представляем информацию о значительных технических достижениях на пути к Starling, разбитых на шесть категорий. Эти шаги вперед реализуются параллельно, но не изолированно: опыт, полученный при работе с одним компонентом, влияет на прогресс в других. В совокупности описанная ниже работа представляет собой серьезный прогресс на пути к созданию Starling и реализации обещаний отказоустойчивых квантовых вычислений.
Физика устройств
Год назад было объявлено об IBM Quantum Loon для демонстрации многих ключевых компонентов, необходимых для реализации qLDPC-кодов IBM, включая схемы сброса кубитов и «c-ответвители» для связи кубитов по всему чипу, что является предварительным условием для установления шестисторонней связности кубитов, необходимой для реализации qLDPC-кода.
С тех пор у Loon были измерены времена релаксации кубитов (T1), составляющие около 200 мкс, при константах времени сброса 20–40 нс. Его вентили имели средние показатели частоты ошибок около 0,3%. Конечная цель для Starling — добиться T1 в диапазоне миллисекунд и ошибок вентилей в диапазоне низких сотых долей процента (0,01%). Физика устройства спроектирована таким образом, чтобы обеспечить столь низкий уровень ошибок. Фактически мы регулярно фиксируем ошибки вентилей на уровнях около сотых долей процента на Heron и Nighthawk, достигая значений до 0,04%. Перенос времен когерентности с наших тестовых устройств, которые в настоящее время находятся в диапазоне однозначных миллисекунд, также поможет обеспечить более низкий уровень ошибок.
Также важно понимать, сколько потерь привносят слои c-ответвителей, чтобы мы могли оценить пределы ошибок вентилей. Результаты здесь также весьма обнадеживают. Резонаторы имели добротность выше 10 миллионов, что превышает показатель, необходимый для Starling. В дополнение к этому было обнаружено, что прохождение через слои c-ответвителей приводит лишь к минимальному снижению добротности, а значит, можно увеличить количество слоев c-ответвителей, используемых в чипе. Изначально использовалось два слоя, но теперь их число увеличено до трех с планами достичь четырех и более. Добавление дополнительных слоев позволит осуществлять более сложную маршрутизацию и может эффективно сократить некоторые из самых длинных соединений, которые должны обеспечивать c-ответвители.
Приведенные выше результаты подтверждают, что c-ответвители являются жизнеспособным подходом к обеспечению нелокальных плотных соединений для квантовых процессоров.
Квантовые процессоры (QPU)
Были также достигнуты успехи в способах компоновки квантовых процессоров (QPU).
В частности, произошло два захватывающих события, связанных с общим выходом годных устройств и сложностью. Во-первых, усовершенствования кода qLDPC позволили обойтись всего пятью соединениями между кубитами вместо шести, одновременно снизив количество логических ошибок в 20–100 раз. Во-вторых, благодаря дальнейшим инновациям в области ответвителей мы нашли способы сократить количество джозефсоновских переходов. Объединив эти достижения, удалось более чем в два раза сократить количество необходимых джозефсоновских переходов — с примерно 5 000 до 2 000.
Такое сокращение числа переходов означает увеличение выхода годных устройств. При целевом показателе выхода переходов на уровне 99,95% мы обнаружили, что около 1 из 12 процессоров будет полностью функционален при 5 000 переходах, но 1 из 3 процессоров будет полностью функционален при 2 000 переходах — это четырехкратное увеличение. Меньшее количество переходов также поможет снизить разброс требуемых критических переходов по всему устройству.
Наконец, длина c-ответвителя была увеличена до 20 мм, что помогает ослабить некоторые жесткие требования к плотности кубитов и ответвителей на квантовом процессоре.
Это сочетание впечатляющих результатов, демонстрирующих высокую добротность внутри и между c-ответвителями, усовершенствованного кода и повышения выхода годных устройств, побудило нас перепроектировать модульные процессоры. Новые проекты снижают риски и повышают выход годных устройств для процессоров с модульным qLDPC-кодом, что пойдет на пользу Starling. Год назад такое было невозможно даже представить, что демонстрирует, как непрерывные инновации подталкивают нас к созданию еще более совершенных конструкций.
Модульные декодеры
Декодеры, классические алгоритмы, используемые для выявления ошибок в квантовых цепях, необходимы для достижения отказоустойчивых квантовых вычислений. В 2025 году компания IBM представила декодер Relay-BP и показала, что он может обеспечить более низкую частоту логических ошибок по сравнению с ведущими альтернативами, одновременно снижая вычислительные требования для декодирования. Теперь исследователи IBM расширили Relay-BP, продемонстрировав, что ошибки для операций исключительно с памятью и операций измерения практически совпадают. Фактически наблюдаемая нами производительность уже отвечает требованиям Starling.
Для запуска Relay-BP на Starling компания IBM создает специализированный декодер (ASIC) реального времени на базе 2-нанометровой нанолистовой технологии. Этот заказной чип обеспечит улучшенные показатели логических ошибок для повышения производительности Starling.
Межмодульная связь
Для масштабирования до большого числа исправленных от ошибок кубитов процессорные модули Starling должны быть соединены с помощью соединений большой дальности, называемых l-ответвителями.
Компания IBM недавно соединила два процессора Nighthawk, используя четыре l-ответвителя, как описано в этой статье, достигнув средней частоты ошибок в 1% при лучшем результате в 0,7%. Связывание нескольких процессоров Nighthawk вместе является важнейшим шагом на пути к масштабированию до более крупных систем, способных выполнять полезную работу. Эти результаты были достигнуты благодаря коаксиальным кабелям с высокой добротностью, магничным экранированием и Q, превышающим 1 миллион. По сравнению с предыдущими демонстрациями, исходные показатели частоты ошибок улучшились примерно в 2 раза, но ключевым результатом является воспроизводимость подключения l-ответвителей к процессорам. Мы поняли, что магнитное экранирование важно, но также имеют значение и обычные проблемы, связанные с тепловым равновесием и вибрациями. Все должно быть собрано так, чтобы не нарушать тщательную микроволновую инженерию, чтобы силы связи и скорости дефазировки были стабильными.
В конечном итоге Starling потребуется более 100 l-ответвителей на модуль с уровнем ошибок 0,1%. Именно поэтому прогресс в повышении надежности и повторяемости является важным шагом.
Модульная криогеника и проводка
Для достижения масштаба, необходимого для Starling, криогенные системы, используемые для размещения квантовых процессоров, должны обеспечивать бесшовное соединение вычислительных модулей друг с другом. В этом году IBM решила эту задачу, представив модульную криогенную конструкцию, которая станет основой будущих квантовых систем компании.
Эти модульные криостаты имеют прямоугольную форму (в отличие от ранее применявшихся цилиндрических криостатов), что облегчает их состыковку с соседними блоками. Мы уделили особое внимание тому, чтобы охлаждающий элемент (вставка криостата) был отделен от вакуумного кожуха, который также отделен от экранирования и проводки. Это позволяет более надежно собирать множество блоков вместе. Кроме того, конструкция включает выделенные каналы для прохождения l-ответвителей через криогенное пространство для соединения процессоров в разных криостатах.
Процессорам в таких системах потребуется множество линий управления для каждого кубита и ответвителя. Каждый отсек криостата спроектирован так, чтобы вмещать до 0,96 мили проводников по общей длине трассы. Для Nighthawk r2 потребуется всего 0,86 мили, но в Nighthawk r3 будет использоваться около 3,84 мили трассы проводки. Такой огромный объем разводки было бы невозможно реализовать без многократных итераций перехода от коаксиальных линий к гибким шлейфам (flex) и последующих улучшений различных конструкций шлейфов.
По состоянию на ноябрь 2026 года в этих криостатах охлаждаются два устройства Nighthawk r2, соединенных с помощью l-ответвителей. Самые свежие данные показывают добротность l-ответвителей в обычном диапазоне 1–2 миллиона. Это свидетельствует о хорошем прогрессе на пути к Starling, для которой потребуется объединить до двенадцати криогенных модулей.
Модульная управляющая электроника
Управляющая электроника — ключевой элемент работы квантовой системы. Обычно эти функции выполняют компьютеры при комнатной температуре, однако прокладка сигналов в ультрахолодную криогенную среду и обратно добавляет системе массу громоздкой проводки и создает шумы, способные нарушить состояние кубитов. Для обеспечения уровня производительности Starling потребуются новые системы управления, работающие в режиме реального времени и обладающие лучшими шумовыми характеристиками.
Один из способов достичь этого — найти способ задействовать управляющую электронику на базе микросхем, расположенных непосредственно внутри самого криостата, что позволит избавиться от лишних проводов, источников тепла и узких мест в передаче сигналов.
Компания IBM недавно создала новые специализированные интегральные схемы (ASIC) для криогенного управления, которые не уступают по производительности управляющей электронике комнатной температуры. Ранее мы продемонстрировали возможность управления примерно половиной двухкубитных вентилей на процессоре Heron с помощью контроллера на базе ASIC — однокубитные вентили по-прежнему генерировались электроникой комнатной температуры. В последней версии ASIC мы продолжили дорабатывать характеристики шумов и теперь добились соответствия и даже превосходства показателей вентилей по сравнению с использованием только электроники комнатной температуры. Это серьезный шаг вперед.
В конечном итоге для Starling потребуется модульная система управления в реальном времени, построенная на базе разнообразных потоков классических данных, как показано на схеме ниже. Эта архитектура логического управления распространяет модульный дизайн Starling на уровень управления, объединяя ЦП, программируемые пользователем вентильные матрицы (ППВМ) и ASIC. Важнейшим фактором для этого станут технологии межсоединений, масштабируемые до крупных систем без ущерба для таких ключевых параметров, как задержка. В этом году на мелкомасштабных прототипах мы подтвердили, что несколько стандартных технологий межсоединений удовлетворяют требованиям к системе управления Starling.
Перспективы на пути к IBM Quantum Starling
Описанные выше достижения знаменуют собой серьезный прогресс на пути к Starling:
- Подход с использованием c-ответвителей успешно проверен.
- Количество необходимых кубитных соединений и джозефсоновских контактов удалось значительно сократить.
- Алгоритм декодирования IBM достиг производительности, необходимой для Starling.
- Квантовые процессоры были соединены с помощью l-ответвителей с улучшенной повторяемостью.
- Запущена и протестирована новая модульная криогенная система.
- Установлено, что разработанные IBM микросхемы ASIC для криогенного управления не уступают по производительности вентилей электронике комнатной температуры.
Хотя описанные выше обновления важны, они отражают лишь часть ключевых достижений на пути к Starling. Например, продолжается работа по совершенствованию наших LPU и снижению накладных расходов, связанных с инжекцией магических состояний. Основная архитектура Starling осталась неизменной.
До появления Starling пройдет еще несколько лет, но выбранный IBM путь уже подтвержден на практике и указывает четкие дальнейшие шаги для достижения нового прогресса.
