آی‌بی‌ام معماری ماژولار سرمایش عمیق را برای مقیاس‌دهی کامپیوترهای کوانتومی نمایش می‌دهد

وعده محاسبات کوانتومی—مانند شبیه‌سازی‌های شیمیایی، بهینه‌سازی زنجیره‌های تأمین جهانی، یا کشف مواد جدید—مدت‌هاست که به دلیل اندازه یخچال‌های مورد نیاز، از نظر فیزیکی با محدودیت مواجه شده است. پردازنده‌های کوانتومی ابررسانا برای عملکرد صحیح باید در دماهایی سردتر از فضای عمیق کار کنند. سال‌هاست که استاندارد صنعتی، یخچال رقیق‌سازی استوانه‌ای بوده است؛ دستگاهی با مهر و موم خلاء که تراشه‌های کوانتومی حساس را تا نزدیکی صفر مطلق سرد می‌کند. اما با پیچیده‌تر شدن پردازنده‌ها، این سیلندرها به یک حد فیزیکی سخت رسیده‌اند.

محدودیت فقط قدرت سرمایش نیست، بلکه سیم‌کشی است. هر کیوبیت اضافی به کابل‌های کنترلی اختصاصی برای ارسال و دریافت سیگنال‌های مایکروویو نیاز دارد. با مقیاس‌دهی تراشه‌های کوانتومی از ده‌ها به صدها کیوبیت، انبوه متراکم سیم‌کشی سریع‌تر از فضای موجود در یک کرایواستات استوانه‌ای سنتی رشد می‌کند. مهندسان این پدیده را «محدودیت چگالی سیم‌کشی» می‌نامند، مانعی اساسی که تهدید می‌کند پیشرفت کامپیوترهای کوانتومی ابررسانا را قبل از رسیدن به تحمل خطا متوقف کند.[1][2]

برای شکستن این گلوگاه، آی‌بی‌ام زیرساخت فیزیکی محاسبات کوانتومی را به طور اساسی بازطراحی کرده است. این شرکت اخیراً اعلام کرد که با موفقیت دو سلول سرمایشی ماژولار را به هم متصل کرده و تا زیر ۱۵ میلی‌کلوین سرد کرده است. به جای تکیه بر یک سیلندر بزرگ و واحد، معماری جدید از سلول‌های آلومینیومی جعبه‌ای شکل استفاده می‌کند که می‌توانند در کنار هم به یکدیگر متصل شوند.[3]

تغییر از سیلندر به جعبه، هندسه مقیاس‌دهی کوانتومی را به طور بنیادین دگرگون می‌کند. هر سلول ماژولار جدید تقریباً ۰.۵۳ متر مربع فضای سیم‌کشی قابل استفاده و ۲.۷۵ متر مکعب حجم محفظه خلاء فراهم می‌کند. این میزان تقریباً ۱۲ برابر فضای سیم‌کشی محفظه‌های موجود سیستم کوانتومی یک آی‌بی‌ام است. با قرار دادن این ماژول‌های دارای دیواره‌های صاف در کنار یکدیگر، مهندسان می‌توانند ظرفیت سرمایش و حجم سیم‌کشی را به سادگی با افزودن واحدهای بیشتر به خط، گسترش دهند.[2][4]

اتصال دو محیط فوق‌سرد بدون وارد کردن گرما، یک چالش عظیم ترمودینامیکی است. هرگونه نشت حرارتی بین ماژول‌ها می‌تواند فوراً حالت‌های کوانتومی شکننده پردازنده‌های داخل را از بین ببرد. آی‌بی‌ام با اتصال محفظه‌های خلاء از طریق تونل‌های اتصال کوتاه و به شدت محافظت‌شده به این هدف دست یافت. در طول نمایش اخیر در تأسیسات پوکیپسی، نیویورک، سیستم ترکیبی—که بیش از ۲.۴ متر ارتفاع و ۲.۴ متر عرض داشت—در کمتر از پنج روز تا دمای هلیوم مایع سرد شد و سپس به دمای عملیاتی نهایی خود یعنی ۱۵ میلی‌کلوین رسید.[3][5]

در حالی که فضای گسترش‌یافته مشکل سیم‌کشی را حل می‌کند، هدف نهایی این است که چندین تراشه کوانتومی مانند یک ماشین واحد و یکپارچه رفتار کنند. برای دستیابی به این هدف، معماری ماژولار برای جای دادن «کوپلرهای L» آی‌بی‌ام طراحی شده است. این اتصالات کوانتومی دوربرد به عنوان پل‌هایی بین پردازنده‌های مجزا عمل می‌کنند و به اطلاعات کوانتومی اجازه می‌دهند تا به طور یکپارچه از شکاف فیزیکی بین سلول‌های سرمایشی مجاور عبور کنند.[4][5]

این نقطه عطف اخیر شامل سرد کردن سلول‌های متصل بدون وجود پردازنده‌های فعال در داخل بود و به عنوان یک تأیید حیاتی برای مهندسی ترمودینامیک عمل کرد. فاز بعدی آزمایش، سخت‌افزار کوانتومی فعال را معرفی خواهد کرد. اواخر سال ۲۰۲۶، آی‌بی‌ام قصد دارد پردازنده‌های ۱۲۰ کیوبیتی نایت‌هاوک (Nighthawk) را در هر یک از ماژول‌های متصل نصب کند، که این اولین باری خواهد بود که این معماری با کیوبیت‌های فعال که داده‌ها را در سراسر شکاف سرمایشی مبادله می‌کنند، کار خواهد کرد.[2][3]

این رویکرد ماژولار، پایه فیزیکی نقشه راه بلندمدت آی‌بی‌ام است. تا سال ۲۰۲۷، این شرکت قصد دارد از کوپلرهای L برای اتصال چندین پردازنده به یک سیستم با حداقل ۱۰۰۰ کیوبیت قابل برنامه‌ریزی استفاده کند. این زیرساخت در نهایت در حال ساختن «آی‌بی‌ام کوانتوم استارلینگ» (IBM Quantum Starling) است، سیستمی که برای سال ۲۰۲۹ هدف‌گذاری شده و آی‌بی‌ام انتظار دارد اولین کامپیوتر کوانتومی تحمل‌پذیر در برابر خطای در مقیاس بزرگ در جهان باشد.[5]

با وجود این پیشرفت بزرگ در مهندسی سرمایشی، عدم قطعیت‌های قابل توجهی در مسیر تحمل خطا باقی مانده است. منتقدان و تحلیلگران صنعت اشاره می‌کنند که در حالی که ماژولار بودن محدودیت‌های فضایی سیم‌کشی را حل می‌کند، پیچیدگی‌های جدیدی را به وجود می‌آورد. حجم عظیمی از کابل‌ها، الکترونیک‌های کنترلی دمای اتاق، و پیوندهای پردازنده به پردازنده باید همگی با قابلیت اطمینان تقریباً کامل عمل کنند. اگر پیوندهای کوانتومی بین ماژول‌ها دچار افت سیگنال یا واهمدوسی بالا شوند، سیستم به عنوان یک کامپیوتر یکپارچه عمل نخواهد کرد.[1]

رقبا در فضای کوانتومی ابررسانا در حال پیگیری استراتژی‌های جایگزین برای رفع همان محدودیت‌های مقیاس‌دهی هستند. به جای ساخت شبکه‌های سرمایشی بزرگ و متصل، شرکت‌هایی مانند گوگل به شدت بر بسته‌بندی «فلیپ-چیپ» (flip-chip) تمرکز کرده‌اند—اتصال یک تراشه حامل سیم‌کشی جداگانه مستقیماً به پردازنده کوانتومی برای انتقال مسیردهی سیگنال از لایه کیوبیت. دیگران، مانند ریگتی (Rigetti)، اولویت را به مقیاس‌دهی مبتنی بر «چیپلت» (chiplet) می‌دهند تا چگالی کیوبیت را در پاکت‌های حرارتی موجود به حداکثر برسانند.[2]

تفاوت در استراتژی‌ها، چشم‌انداز در حال بلوغ سخت‌افزار کوانتومی را برجسته می‌کند. این حوزه در حال گذار از دوران آزمایش‌های آزمایشگاهی سفارشی به دورانی است که توسط مهندسی سیستم‌ها و معماری مراکز داده تعریف می‌شود. چه از طریق شبکه‌های سرمایشی ماژولار و چه از طریق بسته‌بندی پیشرفته در سطح تراشه، رقابت برای ساخت یک کامپیوتر کوانتومی مفید اکنون به همان اندازه که در مورد فیزیک کوانتومی است، در مورد لوله‌کشی و تبرید نیز هست.[1][4]

برای اکوسیستم فناوری گسترده‌تر، نمایش آی‌بی‌ام ثابت می‌کند که زیرساخت فیزیکی مورد نیاز برای محاسبات کوانتومی نسل بعدی می‌تواند در مقیاس ساخته و عملیاتی شود. مهندسان با اثبات اینکه محیط‌های فوق‌سرد می‌توانند به صورت ماژولار ساخته و به هم متصل شوند، یک مانع حیاتی را برطرف کرده‌اند و تضمین می‌کنند که وقتی پردازنده‌های کوانتومی آماده مقیاس‌دهی به هزاران کیوبیت باشند، یخچال‌ها نیز آماده نگهداری از آن‌ها خواهند بود.[3]