В Японии запущен крупнейший в мире квантовый компьютер на сверхпроводящих кубитах. Систему разработали и изготовили компания Fujitsu и институт RIKEN. Над разработкой квантовых вычислителей они работают вместе с 2012 года. В марте 2023 года партнёры представили первый в Японии национальный 64-кубитный квантовый компьютер и обещали увеличить число кубитов до 100 в 2025 году, но превзошли сами себя и собрали систему на 256 кубитах — крупнейшую в мире.

Источник изображения: Roselyne Min/Euronews

Японские инженеры смогли достичь рекордных показателей благодаря новой архитектуре сверхпроводящих квантовых процессоров. Во-первых, они сделали её микрокластерной, организовав кубиты в ячейки по четыре штуки в каждой. Во-вторых, ячейки выстроили не только в ряд, но также в виде многоэтажной или трёхмерной структуры, не забыв при этом решить проблемы теплоотвода.

Возросшая плотность размещения кубитов позволила поместить 256-кубитный процессор в корпус прежнего 64-кубитного. Тем самым появился задел для дальнейшего масштабирования квантовых сверхпроводящих процессоров, что специалистами в этой сфере расценивается как наиболее сложная задача при создании имеющего практическую ценность универсального и устойчивого к ошибкам квантового компьютера.

Нелишне напомнить, что большинство научных работ доказывают, что имеющий практическую ценность отказоустойчивый квантовый компьютер может быть создан, начиная с платформы с миллионом физических кубитов. Японские исследователи считают, что новая кластерная и трёхмерная архитектура доказывает возможность приблизиться к заветному рубежу в миллион кубитов в пределах разумных объёмов помещений под квантовые системы.

Отдельно подчёркивается, что 256-кубитный компьютер Fujitsu и RIKEN достиг той же высочайшей плотности размещения сигнальных и управляющих кабелей, необходимых для работы с кубитами — чтения, программирования и коррекции ошибок, что и квантовые системы Google и IBM. Типичный квантовый компьютер на сверхпроводящих кубитах выглядит как люстра с массой входных и выходных кабелей с высокочастотными разъёмами.

Это всё потому, что для работы со сверхпроводящими кубитами для неразрушающего чтения требуются микроволновые (радиочастотные) сигналы. Добавим к этому тщательное экранирование каждого сигнального провода и получаем жгуты кабелей, затрудняющие масштабирование. Выходом может стать перенос контролирующей электроники внутрь криогенной камеры к кубитам, но такое охлаждение полупроводники пока не выдерживают. Это всё в будущем. А пока создаются гибридные платформы, в которых обычные суперкомпьютеры управляют кубитами. Европа, кстати, как отмечает источник, отстаёт от США и Японии в вопросе высокоплотного монтажа интерфейсов для сверхпроводящих квантовых вычислителей.

Добавим, 256-кубитный компьютер Fujitsu и RIKEN доступен клиентам через облако во всём мире. Впрочем, доступ, вероятно, ограничен узким кругом клиентов, имена которых держатся в тайне. В любом случае, пока идёт проверка идей и поиск задач, которые квантовые вычислители могут решать на современном уровне своего развития. В новом году Fujitsu и RIKEN обещают представить 1000-кубитовую платформу, что станет новым шагом вперёд к мечте — к универсальному отказоустойчивому квантовому вычислителю, в ряде задач в миллиарды раз превосходящему классические компьютеры.

Министерство образования, культуры, спорта, науки и технологий Японии (MEXT) объявило о планах построить преемник суперкомпьютера «Фугаку» (Fugaku), который ранее был самым быстрым в мире. Институт физико-химических исследований (RIKEN) и компания Fujitsu начнут его разработку в следующем году, сообщает Nikkei.

Источник изображений: riken.jp

Новый суперкомпьютер продемонстрирует производительность для алгоритмов искусственного интеллекта в 50 экзафлопс с пиковой производительностью зеттафлопсного масштаба в отдельных задачах — машина будет использоваться для работы с ИИ в научных целях. Другими словами, система сможет выполнять один секстиллион операций с плавающей запятой; зеттафлопс в тысячу раз быстрее экзафлопса, и если к 2030 году Япония построит такую систему, у неё действительно будет самый производительный суперкомпьютер в мире.

Каждый вычислительный узел суперкомпьютера Fugaku Next будет иметь пиковую производительность в несколько сотен терафлопс для вычислений с двойной точностью (FP64), около 50 петафлопс для вычислений с точностью FP16 и около 100 петафлопс для вычислений с 8-битной точностью; память HBM обеспечит пропускную способность в несколько сотен Тбайт/с. Для сравнения, вычислительный узел «Фугаку» демонстрирует 3,4 Тфлопс для вычислений с двойной точностью, 13,5 Тфлопс для вычислений с половинной точностью (FP16), а пропускная способность памяти составляет 1,0 Тбайт/с.

На первый год разработки системы министерство выделит 4,2 млрд иен ($29,05 млн), а общее государственное финансирование превысит 110 млрд иен ($761 млн). Возглавит разработку RIKEN, один из самых известных исследовательских институтов Японии; а с учётом того, что MEXT требует максимального присутствия японских технологий в системе, разработкой оборудования будет заниматься преимущественно Fujitsu. Какие-то конкретные требования к архитектуре Fugaku Next в документах MEXT не указываются — вероятно, это будут центральные процессоры со специализированными ускорителями или комбинация центральных и графических процессоров.

Если преемник «Фугаку» будет работать на процессорах Fujitsu, он получит чипы, которые выйдут после MONAKA, у которых на борту до 150 ядер Armv9. Речь идёт о компоненте в мультичиплетной конфигурации, распределенной по многоядерным кристаллам и кристаллами SRAM и ввода-вывода. Последние обеспечивают работу с памятью DDR5, а также интерфейсами PCIe 6.0 и CXL 3.0 для различных ускорителей и периферии. Кристаллы ядер будут производиться с использованием 2-нм техпроцесса TSMC. Преемник Fujitsu MONAKA получит большее число ядер и более мощные интерфейсы — он, возможно, станет изготавливаться по техпроцессу класса 1 нм или ещё более передовому.

Японский научно-исследовательский институт RIKEN и компания Fujitsu объявили об успешной разработке квантового компьютера на 64 сверхпроводящих кубитах. Авторы проекта также подготовили гибридную платформу квантовых вычислений, доступ к которой они предоставят своим партнёрам.

Источник изображения: fujitsu.com

Новый квантовый компьютер основан на технологии, разработанной RIKEN и группой партнёров института, включая Fujitsu, которая использовалась в предыдущей совместной квантовой системе, представленной в минувшем марте. Fujitsu и RIKEN также объявили о запуске платформы гибридных квантовых вычислений, которая объединяет вычислительную мощность системы на 64 сверхпроводящих кубитах и одного из крупнейших в мире симуляторов квантового компьютера на 40 кубитов. Для работы нового комплекса разрабатывается гибридный квантовый алгоритм, связывающий квантовые вычисления с традиционными высокопроизводительными вычислениями (HPC). Он сможет использоваться для работы в различных областях, включая разработку медицинских препаратов и финансовых алгоритмов.

Разработка квантовых компьютеров сегодня продвигается быстрыми темпами, но лежащие в их основе технологии пока относятся к эпохе NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum era), которая характеризуется высоким несовершенством: помехи из окружающей среды пока оказывают слишком сильное влияние на квантовые вычисления. Отказоустойчивый квантовый компьютер или FTQC (Fault-Tolerant Quantum Computer), способный обеспечивать надёжные и точные результаты, появится не менее чем через десятилетие. Поэтому в Fujitsu и RIKEN решили применить гибридный подход, подключив к настоящему квантовому компьютеру его симулятор, который не подвержен ошибкам.

Для проверки работы системы разработчики применили её для расчёта энергии основного состояния молекулы H12 — цепочечной молекулы из 12 атомов водорода — и объединили алгоритм с технологией коррекции квантовых вычислений на основе искусственного интеллекта, призванной смягчить шумовые эффекты в квантовых компьютерах. Fujitsu и RIKEN также доложили, что продолжается разработка квантового компьютера на 1000 кубитов.