ますます強力になる従来のコンピュータを構築するには、原理的には、より多くのトランジスタを備えたプロセッサを製造し、それらを適切なインフラストラクチャを通じて接続するだけで十分です。しかし、量子の世界では、レシピははるかに複雑です。 これらのコンピューターの基本単位である量子ビットは、環境の影響を非常に受けやすいです。 超伝導プロセッサは絶対零度に近い温度で動作する必要があります。したがって、量子コンピューターが成長するには、それを冷やす巨大な「冷蔵庫」も成長する必要があります。
IBMはまさにその方向への一歩を踏み出したところです。同社は、最初の 2 つの極低温モジュールを接続して稼働させることに成功し、単一の超低温環境を形成しました。 システムは 15 ミリケルビン未満、つまり絶対零度より 0.015 度高い温度に達しました。 深宇宙の180倍以上寒いです。
気温は想像しにくいです。 絶対零度、つまり零下 273.15 度は、理論上の温度の下限です。 IBM の量子コンピューターは超伝導量子ビットを使用しているため、IBM のシステムはそれに近づく必要があります。このような低温では、特定の材料は抵抗なく電気を通すことができ、回路は計算の実行に必要な量子状態を維持できます。さらに、極度の寒さは、これらの状態を乱す可能性のある熱ノイズを減少させます。
これまで、このタイプの量子プロセッサは通常、大きな円筒形のクライオスタット、つまり冷却システムと多数の接続部を備えた隔離されたチャンバー内に設置されていました。このアーキテクチャにより、現在の量子コンピュータの開発が可能になりましたが、 サイズを大きくしようとすると問題が発生します。 単一チップ上にますます多くの量子ビットを配置すると、スペース、熱、接続、およびそれらの間の干渉に関する問題が発生します。
IBMの代替案は、冷蔵庫そのものを変えることだ。同社は、単一の巨大な容器の代わりに、自立型の箱型の極低温モジュールを設計しました。 それぞれが、量子プロセッサを収容できる完全な真空および冷却環境を構成します。 利点は、これらのボックスを互いに隣り合って配置し、複数のプロセッサが連携して動作できるリンクによって接続できることです。
アーキテクチャは単純に見えるかもしれませんが、2 つのシステムを接続する際に冷却状態を維持することは、エンジニアリング上非常に難しい問題です。各モジュールには独自の真空チャンバー、冷却システム、熱シールドが備わっています。結合すると、プロセッサ間の接続は、複数の絶縁層で保護された一種の極低温トンネルを通過します。それで、 外部からの熱によって量子演算に必要な条件が損なわれることなく、あるプロセッサから別のプロセッサに情報を渡すことができます。
IBM が機能させた 2 つのモジュール それらを合わせると、高さと幅は 2.4 メートルを超えます。 それぞれのサイズは従来の家庭用冷蔵庫の約 3 倍ですが、その内部は食品の保存よりもはるかに繊細な目的のために設計されており、量子プロセッサの制御に必要な接続とコンポーネントのためのスペースが提供されています。実際には、 各モジュールは、現在最も広く使用されている一部の IBM 量子システムよりも最大 12 倍の配線スペースを提供します。
このようなインフラストラクチャを構築する理由は、量子コンピューティングの将来では、単一の巨大なチップを作成するのではなく、複数のプロセッサを接続することになる可能性があるためです。 IBMは、モジュール式極低温システムを使用して、さまざまなチップが情報を共有し、より大きな量子マシンとして機能できるようにすることを目指しています。 そのロードマップでは、2027 年までに、いわゆる L カプラーを使用して複数のプロセッサを接続し、少なくとも 1,000 のプログラム可能な量子ビットに到達することが検討されています。 その後、各モジュールは数千の量子ビットを保持できるようになりました。
これは、いわゆるフォールトトレラントな量子コンピューティングを実現するために特に重要です。量子ビットは非常に壊れやすいため、外乱によって計算に誤差が生じる可能性があります。できるマシンを構築するには、 複雑な操作を確実に実行するには、エラー修正技術を使用する必要があります。 そして、多くの物理コンポーネント間で量子情報を分散します。
IBMは、このすべてのアーキテクチャが、同社が2029年に計画しているフォールトトレラントな量子コンピュータであるStarlingにつながることを意図している。したがって、新しい極低温インフラストラクチャは未来のコンピュータではなく、それを構築するために必要な部品の1つである。 同社は現在、それを実証することに成功した。 これらの「冷蔵庫」のうち 2 台は連携して動作し、必要な極限状態を同時に維持できます。 次のステップは、それらに新しいプロセッサをインストールし、接続と量子ビットの数が増加したときにそれらがどのように動作するかを確認することです。
従来のマシンでは対処できない問題を解決できる量子コンピューターを構築するには、より優れた量子ビットを発明する以上のことが必要です。また、彼らを世界から隔離し、同時に協力することを可能にするインフラストラクチャも必要です。 大規模な量子コンピューティングに向けた競争において、冷蔵庫もコンピュータの一部となっています。
