До 2016 года получить доступ к квантовым устройствам было непросто. Теоретикам квантовых вычислений приходилось убеждать исследователей аппаратных средств в необходимости проводить эксперименты на специализированных квантовых процессорах.
В конце 2015 года руководители рабочей группы почетный сотрудник и вице-президент IBM Джей Гамбетта (Jay Gambetta) и Джерри Чоу (Jerry Chow), ныне директор по разработке аппаратной части квантовых систем, заручившись поддержкой со стороны научного сообщества, предложили «разместить» квантовый процессор в облаке. Чтобы выйти на этот качественно новый этап, потребовались месяцы совместной работы представителей с нескольких континентов, направленные на развитие глобальной экосистемы квантовых вычислений.
Так, в рабочую группу для разработки ядра платформы и пользовательского интерфейса был приглашен эксперт по облачному ПО Исмаэль Фаро (Ismael Faro). К группе также присоединился сторонний дизайнер Карл де Торрес (Carl De Torres), который работал над внешним видом приложения. Рабочая группа хотела сделать акцент на устройстве с пятью кубитами. Математические операции, называемые квантовыми вентилями, связывали кубиты в квантовые схемы. Диаграммы, отображающие схемы и вентили, выглядели так же, как музыкальные ноты на нотном стане. Поэтому команда хотела получить интерфейс, который бы позволял интуитивно «сочинять» такие схемы. За пару выходных дней Фаро, прежде не имевший опыт работы с квантовыми устройствами, подготовил прототип веб-страницы и приложения — и это оказалось именно тем, что хотела рабочая группа.
Однако создание фронтенда было лишь частью головоломки. Группе необходимо было полностью продумать рабочую среду — как пользователи взаимодействуют с приложением, какие функции и вентили они могут видеть, как пользователи будут отправлять задания бэкенду, как конвертировать задания в квантовый ассемблер, понятный аппаратным квантовым устройствам, и как поставить в очередь тысячи возможных заданий для единственного устройства.
Нужно было подготовить и аппаратную часть. Учитывая сроки, группа решила не создавать совершенно новое устройство, а работать с лучшим квантовым процессором, который уже был в их распоряжении.
Квантовые вычисления выходят в Интернет
Сверхпроводящие квантовые компьютеры состоят из печатной платы со сверхпроводящей электроникой, программируемой микроволновыми импульсами. Эти процессоры находятся и подключены к управляющей электронике внутри криогенного холодильника размером с ведро. Холодильник гарантирует, что кубиты сохраняют свои сверхпроводящие свойства и подвергаются минимальному воздействию теплового шума или вибраций, вызванных избытком тепла. Однако любые возмущения — даже повседневные вибрации от здания — могут заставить кубиты декогерировать, то есть «забыть» запрограммированную квантовую информацию.
Научный сотрудник Антонио Корколес (Antonio Córcoles) участвовал в калибровке устройств, чтобы кубиты правильно реагировали на входные воздействия и достаточно долго сохраняли заданные значения для выполнения вычислений. Его группа оптимизировала конфигурации криогенной проводки для достижения наилучшего периода когерентности кубитов и скорости работы вентилей.
После того как поведение кубитов стабилизировалось, исследователям необходимо было убедиться, что их работа воспроизводима и что вентили выдают ожидаемый результат. Кроме того, требовалось обеспечить автоматическую калибровку устройств дважды в день. Группа должна была гарантировать характеристики устройства для пользователей и устранить возникающие сбои, а также предвидеть любые проблемы, которые могут возникнуть у пользователей, не знакомых с ограничениями квантовых устройств.
Система IBM Quantum Experience (теперь называется IBM Quantum) заработала 4 мая 2016 года. Ручеек быстро превратился в бурный поток: в первую неделю для работы с IBM Quantum Experience зарегистрировалось 7000 пользователей, а к концу второй их число превысило 17000.
Пожалуй, самые важные уроки были усвоены за первые несколько месяцев после запуска. Группа анализировала сотни отзывов пользователей и отслеживала собственные исправления, чтобы сделать работу удобнее и систематизировать процесс для ввода в продуктив еще большего числа квантовых устройств. Пока сотрудники, используя канал Slack, исправляли отдельные ошибки по индивидуальным запросам, велась работа над активным поиском более долговременных исправлений. Это было нужно для того, чтобы рабочая группа могла вернуться к разработке нового оборудования, а не выступать в роли службы технической поддержки для растущего парка процессоров.
«Я считаю, что первоначальный запуск сыграл крайне важную роль, — говорит Корколес. — Но масштабы работы, которую мы проделали сейчас, поразительны. Мы вывели в облако десятки устройств и предоставили доступ к ним разработчикам по всему миру, часто на условиях свободного использования».
В IBM научились создавать стабильные квантовые устройства, выводить их в онлайн и автоматизировать некоторые из важнейших экспериментов, в том числе связанные с калибровкой устройств. «Если честно, для того чтобы разместить квантовый компьютер в облаке, нам потребовалось полностью перестроить мышление, — поясняет Джей Гамбетта, почетный сотрудник и вице-президент IBM по квантовым вычислениям. — Мы рассматриваем такие устройства не как объекты лабораторных экспериментов, а как системы».
Факты и цифры
Система облачного доступа к квантовым компьютерам IBM Quantum Experience поддерживает целый ряд квантовых систем, доступ к которым с помощью IBM Quantum Composer, IBM Quantum Lab и Qiskit получили исследователи, компании и активное сообщество Open Source разработчиков.
Сегодня на платформе IBM Quantum зарегистрировано более 325 тыс. пользователей. Каждый день тысячи разработчиков запускают на квантовых компьютерах IBM не менее двух миллиардов квантовых схем, и теперь им в этом помогает открытый набор средств разработки ПО Qiskit.
- Количество зарегистрированных пользователей: > 325 тыс.
- Количество скачиваний Qiskit: > 650 тыс.
- Количество научных статей, опубликованных благодаря использованию IBM Quantum: > 700
- Количество организаций в коммерческой сети IBM Quantum Network: > 140
- Количество выполняемых квантовых схем: > 2 млрд в день
Смотрите оригинальный материал на английском с дополнительными деталями, а также слушайте подкаст с участием российского победителя конкурса Quantum Challenge.
