- IBM планира квантов суперкомпютър с над 4 000 кубита до 2025 г., постигнат чрез свързване на три чипа Kookaburra с 1 386 кубита всеки, за да се формира система с 4 158 кубита.
- Модулната платформа Quantum System Two, представена през 2023 г., е проектирана да поддържа множество чипове и разполага с криогенен хладилник и усъвършенствана управляваща електроника.
- В края на 2023 г. IBM стартира първата Quantum System Two, работеща с три 133-кубитови процесора Heron паралелно.
- До края на 2025 г. IBM възнамерява да постави три чипа Kookaburra в System Two, създавайки една машина с 4 158 кубита.
- IBM използва късодалекобойни чип-до-чи чип куплери и криогенни връзки, за да свърже чиповете в единна изчислителна тъкан.
- Компанията нарича този подход квантово-центрирано суперкомпютриране, вплитайки QPU с CPU и GPU в единна изчислителна тъкан.
- Qiskit Runtime и circuit knitting позволяват на разработчиците да изпълняват големи квантови натоварвания през множество чипове с вградена корекция на грешки.
- Системата с над 4 000 кубита ще работи в NISQ режима през 2025 г., разчитайки на смекчаване на грешки, а не на пълна квантова корекция на грешки.
- Експерти изчисляват, че за разбиване на RSA-2048 ще са необходими около 4 000 логически кубита с корекция на грешки, което вероятно означава милиони физически кубити.
- Конкуренти са Google, които се стремят към квантови изчисления с корекция на грешки до 2029 г., IonQ, които преследват алгоритмични кубити, Quantinuum, които се фокусират върху висока точност и корекция на грешки, и D-Wave, които предлагат система за закаляване с над 5 000 кубита.
IBM е на прага на пробив в квантовите изчисления: “квантов суперкомпютър” с над 4 000 кубита до 2025 г.. Амбициозният план на технологичния гигант – част от по-голяма квантова стратегия – обещава да революционизира изчисленията, като се справя с проблеми, които днешните най-бързи суперкомпютри не могат да решат. В този доклад ще разгледаме квантовото пътешествие на IBM, дизайна на системата с над 4 000 кубита, експертни мнения (и хипербола), как се сравнява с конкуренти като Google и IonQ и какво би означавала машина с 4 000 кубита за света.
Предистория: Квантовото търсене на IBM
IBM е пионер в квантовите изчисления, водеща както в хардуерното, така и в софтуерното развитие. Още през 2020 г. IBM представи квантова пътна карта и оттогава изпълнява всяка поставена цел. През 2021 г. те демонстрираха 127-кубитовия процесор Eagle – чип толкова сложен, че неговите схеми “не могат да бъдат надеждно симулирани точно на класически компютър” insidehpc.com. През 2022 г. IBM представи чипа Osprey с 433 кубита, голям скок спрямо Eagle по брой кубити techmonitor.ai. Най-скоро, в края на 2023 г., IBM достигна 1 121-кубитовата граница със своя процесор Condor – първият квантов процесор, който преминава бариерата от хиляда кубитаtomorrowdesk.com. Всяко от тези постижения положи основите за мащабиране до хиляди кубити.
Но стратегията на IBM не е само да добавя повече кубити. Компанията набляга на подход с пълен стек: надежден квантов хардуер, интелигентен квантов софтуер и широка екосистема от потребители и партньори newsroom.ibm.com, insidehpc.com. През 2016 г. IBM пусна първия квантов компютър в облака за обществено ползване, а днес над 200 организации и 450 000 потребители са свързани с квантовите услуги на IBM чрез облака techmonitor.ai. Софтуерната рамка на IBM (Qiskit) и Qiskit Runtime средата позволяват на разработчиците да изпълняват квантови програми ефективно, с вградени инструменти за намаляване на грешките и за оркестриране на хибридни квантово-класически натоварвания newsroom.ibm.com, insidehpc.com. Тази тясна интеграция между хардуер и софтуер – заедно с мрежа от академични и индустриални сътрудници – е в основата на по-широката цел на IBM: да направи квантовите изчисления полезни за света, а не само лабораторни демонстрации.
IBM обича да нарича тази визия „квантово-центрирани суперкомпютри“. Идеята е в крайна сметка да се вплетат квантови процесори (QPU) заедно с класически CPU и GPU в единна изчислителна тъкан insidehpc.com. Както съвременните суперкомпютри комбинират CPU и AI ускорители за обработка на AI натоварвания, така IBM вижда бъдещите суперкомпютри като съчетаващи квантови и класически двигатели за решаване на проблеми, които нито един не може да реши самостоятелно insidehpc.com. По думите на д-р Джей Гамбета, вицепрезидент на IBM по квантовите технологии, „Сега IBM въвежда ерата на квантово-центрирания суперкомпютър, където квантовите ресурси – QPU – ще бъдат вплетени заедно с CPU и GPU в изчислителна тъкан“, насочена към решаване на „най-трудните проблеми“ в науката и индустрията insidehpc.com. Това е смела визия, която надхвърля просто създаването на по-бърз компютър; тя цели да промени самата същност на изчисленията.
Проектиране на квантов суперкомпютър с над 4 000 кубита
Как се изгражда квантов компютър с над 4 000 кубита? Отговорът на IBM: модулност. Вместо един гигантски чип, IBM свързва няколко по-малки квантови чипа в една система – малко като свързване на възли в суперкомпютър. Следващото поколение платформа на компанията, наречена IBM Quantum System Two, е специално проектирана за това. Представена през 2023 г., System Two е първата модулна квантова компютърна система на IBM, с най-съвременен криогенен хладилник и управляваща електроника, които могат да поддържат няколко квантови процесора едновременно techmonitor.ai, newsroom.ibm.com. Това е физическият „дом“, който ще приюти бъдещия флот от свързани чипове на IBM, всички охладени до почти абсолютната нула. Чрез комбиниране на чипове, IBM може бързо да увеличава броя на кубитите без да е необходимо да произвежда невъзможно големи единични чипове – подход, който е от решаващо значение за прехода от стотици към хиляди кубити.
Фигура: Визията на IBM за квантов суперкомпютър е да свърже няколко квантови чипа в една система. През 2025 г. IBM планира да представи „Kookaburra“ – процесор с 1 386 кубита и квантови комуникационни връзки; три чипа Kookaburra могат да бъдат свързани в една система с 4 158 кубита ibm.com. Тази модулна архитектура позволява на IBM да мащабира до хиляди кубити чрез мрежово свързване на по-малки процесори, вместо да разчита на един масивен чип.
Сърцето на 4 000-кубитовия план на IBM е предстоящото ѝ семейство процесори с птичи кодови имена. През 2024 г. се очаква IBM да пусне „Flamingo“, 462-кубитов чип, проектиран да тества квантова комуникация между чипове ibm.com. IBM планира да демонстрира дизайна на Flamingo, като свърже три процесора Flamingo в една система с 1 386 кубита – по същество показвайки, че няколко чипа могат да работят заедно, сякаш са един ibm.com. След това идва големият: през 2025 г. IBM ще представи „Kookaburra“, 1 386-кубитов процесор, създаден за модулно мащабиране ibm.com. Благодарение на вградените комуникационни връзки, три чипа Kookaburra могат да се свържат, за да образуват една машина с 4 158 кубита ibm.com. По думите на IBM, това ще бъде първият квантово-центриран суперкомпютър, който преминава границата от 4 000 кубита.Как изглежда тази архитектура? По същество IBM използва късодалекобойни чип-до-чи чип куплери и криогенни връзки, за да свърже кубити между различни чипове spectrum.ieee.org. Представете си всеки чип като „плочка“ от кубити; куплерите позволяват на съседни плочки да споделят квантова информация, а специални микровълнови кабели могат да свързват чипове, които са малко по-далеч един от друг spectrum.ieee.org. Предизвикателството е да се накарат кубитите на отделни чипове да се държат почти така, сякаш са на един и същ чип – нелека задача, тъй като квантовите състояния са крехки. IBM разработва нова куплерна технология, за да поддържа когерентността на заплетените кубити между чиповете tomorrowdesk.com. System Two осигурява ултра-студена, безвибрационна среда и гъвкава кабелна конфигурация, за да обслужва тези мрежи с много чипове techmonitor.ai. Всичко това се координира от „интелигентен“ контролен слой (софтуер и класически изчисления), който управлява квантовите операции между различните чипове, карайки ги да работят в синхрон insidehpc.com.
Планът на IBM предвижда системата с над 4 000 кубита да бъде в експлоатация някъде през 2025 г. techmonitor.ai. Всъщност, първите компоненти вече са налични. В края на 2023 г. на IBM Quantum Summit, IBM стартира първата Quantum System Two, работеща с три по-малки 133-кубитови процесора „Heron“ паралелно newsroom.ibm.com. Това служи като прототип: Heron е сравнително чип с малко кубити, но със значително подобрени нива на грешки, а IBM използва System Two, за да покаже, че може да управлява няколко процесора заедно като една система newsroom.ibm.com. През следващата година или две, IBM ще мащабира това – като замени с по-големи чипове (като Flamingo и след това Kookaburra) и свърже още от тях. Целта е до края на 2025 г. Quantum System Two на IBM да поддържа три чипа Kookaburra и така >4 000 свързани кубита в една машина techmonitor.ai. Гледайки още по-напред, IBM дори предвижда свързване на няколко System Two: например, свързването на три такива системи може да доведе до клъстер с над 16 000 кубита в бъдеще techmonitor.ai. С други думи, 4 000 кубита не е крайната цел – това е стъпка към още по-големи квантови машини, изградени чрез свързване на модули, подобно на начина, по който класическите суперкомпютри се мащабират с множество възли.
Визията на IBM: Прозрения от квантови лидери
Квантовият екип на IBM е напълно разбираемо развълнуван – и оптимистично настроен – относно това какво означава този скок до 4 000 кубита. Директорът по изследванията на IBM, д-р Дарио Хил, често е говорил за навлизането в нова ера на практическите квантови изчисления. „Изпълнението на нашата визия ни даде ясна представа за бъдещето на квантовите изчисления и какво ще е необходимо, за да достигнем до ерата на практическите квантови изчисления“, каза Хил, докато IBM разширяваше своята пътна карта newsroom.ibm.com. С поставената цел от над 4 000 кубита, той я определи като начало на „ера на квантово-центрираните суперкомпютри, които ще отворят големи и мощни изчислителни пространства“ за разработчици, партньори и клиенти newsroom.ibm.com. С други думи, IBM вижда това като зората на квантовите компютри, които вече не са просто лабораторни експерименти, а мощни инструменти за реална употреба.
Джей Гамбета, IBM Fellow и вицепрезидент по квантовите технологии, нарече 2023 година ключов повратен момент – моментът, в който концепцията за квантово-центриран суперкомпютър стана реалност под формата на прототип techmonitor.ai. Според Гамбета, наличието само на повече кубити не е достатъчно; „квантово-центрираното суперкомпютриране ще изисква повече от просто много кубити“, обясни той – необходими са и по-голяма дълбочина на схемите и тясна интеграция с класическите системи techmonitor.ai. Това отразява акцента на IBM върху качеството на кубитите и безпроблемното съчетаване на квантови и класически изчисления. „Нашата мисия е да предоставим полезни квантови изчисления на света,“ каза Гамбета. „Ще продължим да осигуряваме най-доброто цялостно квантово решение в индустрията — а индустрията трябва да използва тези … системи“ techmonitor.ai. Посланието: IBM ще достави хардуера и софтуера, а те очакват бизнесът и изследователите да започнат да правят значими неща с тях.
На Квантовата среща през 2023 г. екипът на IBM изрази оптимистичен тон относно зрелостта на технологията. „Ние сме твърдо в ерата, в която квантовите компютри се използват като инструмент за изследване на нови граници на науката,“ отбеляза д-р Дарио Хил, като посочи, че квантовите машини вече не са просто любопитни обекти newsroom.ibm.com. Той подчерта напредъка на IBM в мащабирането на тези системи чрез модулен дизайн и обеща да „повиши още повече качеството на квантовата технологична стека в мащаб, подходящ за реални приложения – и да го предостави в ръцете на нашите потребители и партньори, които ще разширят границите на по-сложни проблеми“ newsroom.ibm.com. По същество, докато IBM увеличава броя на кубитите, те също работят за подобряване на надеждността на кубитите и „интелигентността“ на софтуера, така че тези хиляди кубити наистина да могат да вършат полезна работа по сложни задачи.
IBM дори използва ярка метафора за предстоящата промяна. Компанията сравнява преминаването от днешните зараждащи се квантови компютри към квантовия суперкомпютър през 2025 г. с „замяната на хартиени карти с GPS сателити“ в навигацията ibm.com. Това е внушителен образ: квантовите суперкомпютри биха могли да ни водят през изчислителни проблеми по съвсем нов начин, както GPS революционизира начина, по който намираме пътя си. Дали реалността ще отговори на оптимизма на IBM, предстои да видим, но няма съмнение, че най-добрите умове на IBM вярват, че са на прага на нещо голямо.
Какво казват експертите: Хайп и проверка на реалността
Обявлението на IBM за 4 000 кубита предизвика много шум, но външни експерти често ни напомнят да запазим реалистични очаквания. Един от основните им аргументи е: повече кубити сами по себе си не гарантират полезни резултати. Днешните квантови битове са „шумни“ – склонни са към грешки – така че просто свързването на хиляди несъвършени кубити не решава магически проблемите, ако тези кубити не могат да поддържат кохерентност. IEEE Spectrum отбеляза, че планът на IBM ще трябва да бъде придружен от „интелигентен софтуерен слой“, който да управлява грешките и да координира хибридното квантово-класическо натоварване spectrum.ieee.org. Всъщност, мощен нов софтуерен стек може да се окаже „ключът към постигането на нещо полезно“ с процесор с 4 000 кубита, като се справя с намаляването на грешките и разпределя задачите между квантовия хардуер и класическите копроцесори spectrum.ieee.org. Накратко, самият брой кубити не е всичко – начинът, по който използвате и управлявате тези кубити, е също толкова важен.
Някои наблюдатели в индустрията също подчертават разликата между физически кубити и логически кубити. Логически кубит е кубит с корекция на грешки, по същество клъстер от много физически кубити, които работят заедно, за да действат като един много надежден кубит. Експертите изчисляват, че за да се разбие съвременното криптиране (като 2048-битовите RSA ключове, които защитават онлайн сигурността), ще са необходими около 4 000 логически кубита с корекция на грешки – което на практика може да означава милиони физически кубити, предвид настоящите режийни разходи за корекция на грешки postquantum.com. Както каза един анализатор по сигурността, „4 000 логически кубита не са същото като 4 000 реални кубита“ – напълно коригиран квантов компютър с хиляди логически кубити все още е далечна мечта postquantum.com. Машината на IBM с над 4 000 кубита ще бъде далеч от този идеал за устойчивост на грешки; тя ще се състои от физически кубити, които изискват умели техники за смекчаване на грешки, за да бъдат полезни. Изследователите бързат да предупредят, че не бива да очакваме тази машина, например, да разбие интернет криптирането или да реши всички неразрешими проблеми за една нощ.Въпреки това, агресивната пътна карта на IBM я поставя пред много конкуренти в надпреварата за брой кубити, а някои експерти хвалят модулния подход като прагматичен начин за мащабиране. „Вярваме, че класическите ресурси наистина могат да разширят възможностите на квантовите и да извлекат максимума от този квантов ресурс,“ отбелязва Блейк Джонсън, ръководител на Quantum Platform в IBM, подчертавайки нуждата от координация между квантовите и класическите изчисления, за да се използват тези големи системи spectrum.ieee.org. Това мнение се споделя широко: бъдещето е „квантово-плюс-класическо“, работещи в тандем.
Съперничещи визии: IBM срещу Google, IonQ и други
IBM не е единствена в квантовата надпревара, но нейната стратегия се различава от тази на другите големи играчи. Google, например, е по-малко фокусирана върху броя на кубитите в краткосрочен план и повече върху постигането на напълно коригиран от грешки квантов компютър. Пътната карта на Google цели да реализира полезна, коригирана от грешки квантова машина до 2029, като компанията последователно работи върху демонстриране на логически кубити и намаляване на грешките, вместо да се опитва да чупи рекорди по брой кубити thequantuminsider.com. (Настоящите устройства на Google, като 72-кубитовия Bristlecone или по-новите версии на 53-кубитовия Sycamore, имат значително по-малко кубити от тези на IBM, но Google наскоро показа, че увеличаването на броя на физическите кубити в един логически кубит може да намали процента на грешки, което е обещаваща стъпка към мащабируемост thequantuminsider.com.) В публични изявления ръководството на Google прогнозира 5–10 годишен период, в който квантовите изчисления ще започнат да оказват реално въздействие thequantuminsider.com. Така че, докато IBM се стреми към прототип с 4 000 кубита, Google играе дългосрочната игра, за да постигне напълно устойчив на грешки квантов компютър, дори ако в близко бъдеще разполага само с десетки кубити.
Quantinuum (компанията, създадена от Honeywell и Cambridge Quantum) е друг тежък играч, но следва различен технологичен път: кубити с уловени йони. Quantinuum не се стреми веднага към хиляди физически кубити – тяхната най-нова система с йонен капан разполага с около 50–100 висококачествени кубита – но те са демонстрирали рекорден квантов обем (мярка за цялостните възможности) и дори са създали 12 „логически“ кубита чрез корекция на грешки през 2024 г. thequantuminsider.com. Пътната карта на Quantinuum е насочена към напълно устойчиви на грешки квантови изчисления до 2030 г., като компанията акцентира върху постигането на „три деветки“ надеждност (99,9% надеждност) и пробиви с логически кубити като междинни стъпки thequantuminsider.com. Техният изпълнителен директор, Ражийб Хазра, твърди, че качеството и напредъкът в корекцията на грешки ще отключат „пазар за трилион долара“ за квантовите технологии и заявява, че Quantinuum има „най-убедителната пътна карта в индустрията към… устойчиви на грешки квантови изчисления“ thequantuminsider.com. В обобщение, фокусът на Quantinuum е да усъвършенства кубитите и корекцията на грешки, дори това да означава по-малко кубити засега – за разлика от големия залог на IBM върху мащабирането и справянето с шума чрез смекчаване.
Друг основен конкурент, IonQ, също използва технология с уловени йони и също така акцентира върху качеството на кубитите. Ръководството на IonQ често изтъква „алгоритмични кубити“ – вътрешен показател, който отчита нивата на грешки и свързаност – вместо просто броя на физическите кубити thequantuminsider.com. Пътната карта на IonQ цели „широко квантово предимство до 2025 г.“, но чрез постепенно подобряване на производителността на кубитите и изграждане на модулни, монтирани на стелажи йонни капани, а не чрез постигане на конкретен висок брой кубити thequantuminsider.com. Всъщност IonQ предвижда, че са необходими само няколко десетки висококачествени кубити, за да надминат много по-големи шумни квантови компютри при определени задачи. Бившият изпълнителен директор Питър Чапман прогнозира, че технологията на IonQ „ще бъде ключова за търговското квантово предимство“, като конкретно подчертава алгоритмичните кубити пред физическите бройки като ключ към полезните приложения thequantuminsider.com. Тази философия подчертава дебат в областта: дали квантовите изчисления са „игра на брой“ (повече кубити по-бързо) или „игра на качество“ (по-добри кубити, дори и да се увеличават по-бавно)? IBM залага на броя (като обръща внимание и на качеството), докато IonQ е твърдо в лагера на качеството на първо място.
След това идва Rigetti Computing, по-малък играч със свръхпроводими кубити. Пътната карта на Rigetti се сблъска със закъснения – те се надяваха да достигнат 1 000 кубита чрез мултичипови модули до 2024 г., но на практика техните системи все още са с десетки кубити. Към средата на 2025 г. Rigetti се стреми към по-скромна система с над 100 кубита до края на 2025 г. thequantuminsider.com, като се фокусира върху подобряване на точността и производителността на двукубитовите гейтове по пътя. Компанията се затруднява да поддържа темпото на бързото разрастване на IBM, което илюстрира колко трудно е за новите играчи да се изравнят с ресурсите и експертизата на IBM в тази област. Въпреки това, Rigetti и други допринасят за иновациите (например, Rigetti са пионери в някои ранни техники за мултичипова интеграция) и подчертават, че преднината на IBM не е непреодолима, ако се появят фундаментални пробиви (като по-добри дизайни на кубити или материали).
Струва си също така да се спомене D-Wave Systems в този контекст. D-Wave, канадска компания, разполага с квантови машини за анилиране (различен модел на квантово изчисление) с над 5 000 кубита днес thequantuminsider.com. Въпреки това, кубитите на D-Wave са проектирани за решаване на оптимизационни задачи чрез анилиране, а не за общи квантови алгоритми. Те постигат висок брой кубити чрез специализирана архитектура, но тези кубити не могат да изпълняват произволни квантови схеми, както устройствата на IBM или Google. Главният изпълнителен директор на D-Wave, Алън Баратц, отбелязва, че тяхната технология вече носи стойност в определени приложения (като оптимизация на графици в търговията на дребно или маршрутизиране в телекомуникациите) thequantuminsider.com. Съществуването на система на D-Wave с 5 000 кубита напомня, че не всички кубити са еднакви – кубитите на D-Wave са полезни за специфични задачи, но не са директно съпоставими с кубитите на квантови компютри, базирани на гейтове. Целта на IBM за над 4 000 кубита се отнася до универсални, базирани на гейтове кубити, което е много по-сложна и амбициозна задача.
В обобщение, IBM се откроява с агресивното мащабиране на хардуер с свръхпроводящи кубити и стремежа да го интегрира с класическите изчисления в кратък срок. Google се фокусира върху етапи на корекция на грешки, Quantinuum и IonQ се концентрират върху качеството на кубитите (с по-малък брой кубити в близко бъдеще), а компании като Rigetti изостават с по-малки устройства. Всеки подход има своите предимства. Ако IBM успее, ще постави висока летва по отношение на броя кубити и може би ще постигне квантово предимство в полезни задачи по-рано. Но ако кубитите са твърде шумни, тези 4 000 кубита може да не превъзхождат 100 отлични кубита на конкурент. Следващите няколко години ще бъдат вълнуващо състезание между различни философии в квантовите изчисления – и не е сигурно, че повече кубити винаги печелят, освен ако не са съчетани с качество и интелигентен софтуер.
Защо 4 000 кубита? Потенциални приложения и предизвикателства
Какво би могъл да направи един квантов компютър с 4 000 кубита, ако работи според очакванията? За сравнение, днешните квантови компютри (с десетки или малко над сто кубита) все още не са надминали ясно класическите компютри при нито един практически проблем. IBM и други вярват, че с достигането на хиляди кубити ще навлезем в зоната, където полезното квантово предимство става възможно за определени класове задачи tomorrowdesk.com. Ето някои приложения и въздействия, които една система с 4 000 кубита може да отключи:
- Химия и наука за материалите: Квантовите компютри са особено подходящи за симулиране на молекулни и атомни системи. Дори най-големите класически суперкомпютри изпитват затруднения да моделират поведението на сложни молекули и химични реакции с точност. Изследователи от IBM отбелязват, че „малко области ще получат стойност от квантовите изчисления толкова бързо, колкото химията,“ защото квантовите машини могат по естествен начин да обработват квантовата природа на химичните взаимодействия ibm.com. Система с 4 000 кубита би могла потенциално да симулира молекули със среден размер или нови материали с висока точност – подпомагайки откриването на лекарства, разработването на нови материали (за батерии, торове, свръхпроводници и др.) и разбирането на сложни химични процеси. Това са проблеми, при които класическите методи достигат до стена поради експоненциалната сложност. До 2025 г. IBM очаква квантовите компютри да започнат да изследват полезни приложения в естествените науки, като химията ibm.com.
- Оптимизация и финанси: Много реални проблеми – от логистика на веригата за доставки до оптимизация на портфейли – включват намиране на най-доброто решение сред астрономически много възможности. Квантовите компютри, с алгоритми като QAOA или техники за квантово закаляване, предлагат нови начини за решаване на определени оптимизационни задачи. Машина с хиляди кубити би могла да обработва по-големи задачи или да предоставя по-прецизни решения от сегашните устройства. Главният изпълнителен директор на IBM Арвинд Кришна е предположил, че квантовите изчисления ще позволят нови алгоритми за оптимизация, които бизнесите могат да използват, като потенциално се превърнат в ключово конкурентно предимство за индустрии като финанси, енергетика и производство thequantuminsider.com. Система с 4 000 кубита би могла например да решава сложни задачи за анализ на риска или оптимизация на маршрути, които класическите алгоритми не могат да решат в разумно време.
- Машинно обучение и изкуствен интелект: Има нарастващи изследвания в областта на квантовото машинно обучение, където квантовите компютри могат да ускорят определени видове задачи по машинно обучение или да предложат нови възможности за моделиране. С хиляди кубити квантовите компютри биха могли да започнат да реализират квантови невронни мрежи или да изпълняват по-бързи линейни алгебрични подпрограми, които са в основата на ML алгоритмите. IBM конкретно разглежда машинното обучение като тестов случай за квантови приложения – очаквайки, че до 2025 г. квантовите компютри ще се използват за изследване на случаи на употреба в машинното обучение наред с класическото ML, като евентуално подобрят начина, по който разпознаваме модели в данни или оптимизираме ML модели ibm.com. Практически пример може да бъде квантово подобрен избор на характеристики или клъстеризация на сложни набори от данни, което може да бъде ускорено от квантови подпрограми.
- Научни изследвания и „Големи предизвикателства“: Извън целевите индустрии, квантов суперкомпютър с 4 000 кубита би бил огромна полза за фундаменталната наука. Той може да се използва за симулиране на сценарии във физиката на високите енергии, оптимизиране на дизайни за квантови материали или дори за изследване на въпроси в криптографията и математиката. IBM споменава естествените науки в широк смисъл – например, проблеми във физиката или биологията, които в момента са неразрешими, може да се поддадат на хибриден квантов подход ibm.com. Помислете за проектиране на катализатори за улавяне на въглерод или анализиране на квантови системи в ядрената физика – това са изключително сложни изчисления, при които квантов компютър може да даде нови прозрения. Самите изследователи на IBM посочват приложения в химията, оптимизацията и машинното обучение като ранни цели за квантово предимство ibm.com.
Това е бляскавото обещание – но какво да кажем за предизвикателствата? Квантов компютър с 4 000 кубита ще се сблъска със сериозни препятствия:
- Шум и нива на грешки: Днешните кубити са податливи на грешки; те декохерират (губят квантовото си състояние) за микросекунди и операциите („врати“) между кубитите са несъвършени. С едва 50-100 кубита квантовите алгоритми могат да изпълнят само много кратка последователност от операции, преди грешките да надделеят над резултата. Ако имате хиляди кубити, предизвикателството с шума се умножава. Всъщност, свързването на три чипа (както планира IBM) може да въведе още повече грешки поради малко по-бавни, с по-ниска точност операции между чиповете ibm.com. IBM признава това и проектира софтуера на System Two да бъде „осъзнат“ за архитектурата – например, да планира критични операции на един и същи чип и внимателно да управлява по-бавните операции между чиповете ibm.com. Без корекция на грешките (която няма да бъде напълно внедрена до 2025 г.), IBM ще разчита на смекчаване на грешките: хитри трикове за намаляване на въздействието на грешките. Това включва техники като вероятностна отмяна на грешки, при която умишлено се въвежда допълнителен шум, за да се научи повече за шума, а след това резултатите се обработват класически, за да се неутрализират грешките spectrum.ieee.org. Тези методи са изчислително скъпи и не са перфектни, но изследванията на IBM показват, че някои могат да се мащабират до устройства с такъв размер spectrum.ieee.org. Все пак, управлението на шума е основният проблем – това е причината квантовите компютри все още да не са решили реални проблеми, и машина с 4 000 кубита ще успее само ако IBM успее да държи грешките под контрол достатъчно, за да извършва дълбоки изчисления.
- Корекция на грешки и логически кубити: Дългосрочното решение на шума е квантовата корекция на грешки (QEC), която ще групира много физически кубити в един логически кубит, способен да преживява грешки. Системата на IBM с 4 000 кубита вероятно все още ще работи в режима „NISQ“ (Noisy Intermediate-Scale Quantum), което означава, че все още няма мащабна корекция на грешки – просто няма да има достатъчно кубити, за да се коригират напълно всички 4 000. (За сравнение, превръщането дори на няколко хиляди физически кубита в шепа логически кубити може да изразходва цялата машина.) Въпреки това, IBM полага основите за корекция на грешки. Компанията активно изследва нови QEC кодове (например квантов LDPC код, който е по-ефективен по отношение на кубитите от традиционните surface codes) и бързи декодери на грешки thequantuminsider.com. Всъщност, IBM наскоро удължи своята пътна карта до 2033, като изрично дава приоритет на подобренията в качеството на гейтовете и разработването на модули с корекция на грешки след 2025 г. newsroom.ibm.com. Суперкомпютърът с 4 000 кубита може да се разглежда като мост: той трябва да е достатъчно голям, за да върши някои полезни неща с смекчаване на грешки, докато учи IBM как да прилага частична корекция на грешки в мащаб. IBM дори обяви план за прототип на квантов компютър с устойчива на грешки работа до 2029 г. hpcwire.com, което показва, че корекцията на грешки е много важна част от дневния им ред, след като бъде достигнат етапът с 4 000 кубита. Все пак, постигането на напълно коригирани (логически) кубити ще изисква порядъци повече кубити или много по-добра надеждност на кубитите – най-вероятно комбинация от двете.
- Софтуер и инструменти за разработчици: Дори и да разполагате с квантова машина с 4 000 кубита, ви е необходим софтуер, който може ефективно да я използва. Квантовите алгоритми трябва да бъдат картографирани върху този сложен многочипов хардуер. IBM решава този проблем с инструменти като Qiskit Runtime и Quantum Serverless архитектура. Те позволяват на потребителя да раздели даден проблем на по-малки квантови схеми, да ги изпълнява паралелно на различни квантови чипове и да съчетава резултатите с класическа обработка ibm.com. Например, „circuit knitting“ е една от техниките, които IBM подчертава – разделяне на голяма схема на части, които се побират на по-малки процесори, след което резултатите се комбинират класически ibm.com. До 2025 г. IBM планира да има функции като динамични схеми (където резултатите от измерванията могат да влияят на бъдещи операции в реално време) и вградена потискаща грешки система, работеща на тяхната облачна платформа ibm.com. Предизвикателството ще бъде всичко това да стане приятелско за разработчици. IBM иска квантовите изчисления да бъдат достъпни, така че data scientists и domain experts (не само квантови PhD-та) да могат да използват тези 4 000 кубита ibm.com. Постигането на добра абстракция – при която потребителят може, например, да извика високоналожена функция за симулиране на молекула и системата сама да определи как да използва 4 000 кубита за това – ще бъде от решаващо значение за практическата полезност. Подходът на IBM тук е концепцията за квантов междинен софтуер и „app store“ от квантови примитиви: предварително изградени функции за често срещани задачи като вземане на проби от разпределения на вероятности или оценка на свойства на системи ibm.com. Ако това е успешно, един химик през 2025 г. може да не се налага да знае детайлите на хардуера; той просто ще използва софтуера на IBM, за да се възползва от мощта на 4 000 кубита за своята симулация.
- Физическа инфраструктура: Скалирането до хиляди кубити не е просто изчислително предизвикателство, а инженерен маратон. Квантовите процесори трябва да се охлаждат до миликелвинови температури – по-студено от космоса. IBM трябваше да проектира нов разредителен хладилник (IBM Quantum System Two), който е по-голям и по-модулен от предишните, за да побере множество чипове и цялото им управляващо окабеляване techmonitor.ai. Хладилникът, електрониката и кабелите стават все по-сложни с добавянето на кубити. Хиляди кубити означават хиляди микровълнови управляващи линии, усъвършенствана филтрация за предотвратяване на изтичане на топлина и шум към кубитите и огромни потоци от данни от прочитите на кубитите. Инженерите на IBM сравняват сложността на скалирането на квантови системи с тази на ранните суперкомпютри или космически мисии. До 2025 г. IBM очаква да е „премахнала основните граници пред скалирането“ чрез модулен хардуер и съпътстваща управляваща електроника ibm.com – но си струва да се отбележи, че IBM едва сега достига тези граници. System Two в Ню Йорк по същество е прототип за управление на такава сложност newsroom.ibm.com. IBM също така инсталира System Two в Европа (в партньорство с правителството на Баския регион в Испания) до 2025 г. tomorrowdesk.com, което ще тества как тази авангардна инфраструктура може да бъде възпроизведена извън собствената лаборатория на IBM. Успехът на тези внедрявания ще бъде важен доказателствен момент, че тръбопроводите и окабеляването на квантов суперкомпютър могат да бъдат направени надеждни и поддържани.
С оглед на тези предизвикателства, експертите охлаждат ентусиазма, като отбелязват, че 4 000-кубитовата машина на IBM вероятно ще бъде силно специализиран инструмент. Тя може да надмине класическите суперкомпютри при специфични задачи (квантови химични симулации, определени оптимизации или задачи по машинно обучение, както бе споменато), постигайки квантово предимство или дори проблясъци на квантово превъзходство в полезни контексти. Въпреки това, тя няма мигновено да направи класическите компютри остарели. Всъщност, за много задачи класическите суперкомпютри и GPU ще останат по-бързи или по-практични. Самата пътна карта на IBM признава тази синергия: квантовият суперкомпютър е предназначен да работи заедно с класически HPC, като всеки върши това, което прави най-добре tomorrowdesk.com. Затова трябва да разглеждаме 4 000-кубитовата система като един от първите истински „квантови ускорители“ – нещо, което бихте използвали наред с класическите изчисления, за да се справите с наистина трудните проблеми, които класическите машини сами не могат да решат. Това е значителна стъпка към крайната мечта за квантови изчисления с корекция на грешки, но не е крайната дестинация.
Пътят напред: Квантовата пътна карта на IBM след 2025 г.
Суперкомпютърът на IBM с над 4 000 кубита е основен етап, но той е част от по-дългосрочна пътна карта, която се простира до 2030-те години. IBM публично заяви, че до 2025 г., с този квантово-центриран суперкомпютър, те ще са „премахнали някои от най-големите пречки пред мащабирането на квантовия хардуер“ ibm.com. Но развитието няма да спре дотук. През 2025 г. и след това, фокусът на IBM все повече ще се измества към мащабиране с качество – подобряване на надеждността на кубитите, корекцията на грешки и сложността на схемите, които могат да се изпълняват.
Всъщност, в края на 2023 г. IBM актуализира своята пътна карта за квантово развитие чак до 2033. Един от основните цели: около 2026–2027 г. да въведе квантови операции с корекция на грешки в своите системи, движейки се към „усъвършенствани системи с корекция на грешки“ по-късно през десетилетието newsroom.ibm.com. IBM дава приоритет на подобренията във верността на гейтовете (намаляване на нивата на грешки), така че по-големи квантови схеми (с хиляди операции) да станат възможни newsroom.ibm.com. Това подсказва, че след като достигне етапа с броя на кубитите, IBM ще се съсредоточи върху подобряване на всеки кубит и постепенно интегриране на корекцията на грешки. Конкретен пример е работата на IBM по нови кодове за корекция на грешки като Quantum LDPC кодове и по-бързи алгоритми за декодиране, които целят да се справят с грешките по-ефективно от днешните surface codes thequantuminsider.com. Има и слухове за процесор на IBM с кодово име „Loon“ около 2025 г., предназначен да тества компоненти на архитектура с корекция на грешки (като модули за свързване на кубити за конкретен QEC код) hpcwire.com. До 2029 г. IBM се стреми да изгради демонстрационен квантов прототип с устойчива на грешки работа, в съответствие с конкуренти като Google за тази крайна целhpcwire.com.
На хардуерния фронт IBM вероятно ще продължи серията си процесори с птичи имена и след Kookaburra. Пътната карта след 2025 г. не е напълно публична, но IBM намекна за изследване на още по-големи мултичипови системи и може би хибридни технологии. Например, визията на IBM за квантов-центриран суперкомпютър в крайна сметка включва квантови комуникационни връзки, които могат да свързват клъстери от чипове на разстояние, не само в един и същи хладилник newsroom.ibm.com. Може да видим как IBM внедрява оптични влакна или други методи за свързване на квантови процесори в различни криостати – подобно на квантова локална мрежа. Това би довело до десетки хиляди или дори милиони кубити в дългосрочен план, което IBM признава, че ще е необходимо за решаване на най-трудните проблеми (и за пълна корекция на грешки) newsroom.ibm.com, insidehpc.com. По думите на самата IBM, техният модулен и мрежови подход трябва да позволи скалиране до „стотици хиляди кубити“ с течение на времето newsroom.ibm.com. Системата с 4 000 кубита е по същество първата реализация на архитектура на квантов суперкомпютър, която може да расте чрез свързване на повече модули.По-широката пътна карта на IBM включва и разрастване на квантовата екосистема. Компанията инвестира в образование, партньорства и облачен достъп, така че когато хардуерът е готов, да има общност, готова да го използва. Например, IBM си партнира с национални лаборатории, университети и дори регионални правителства (като в Япония, Корея, Германия и Испания), за да хоства квантови системи и да стимулира местното развитие. Планът да се внедри първата IBM Quantum System Two в Европа в Испания до 2025 г. tomorrowdesk.com е част от тази стратегия – да се даде възможност на повече хора да работят с авангарден квантов хардуер. Лидерите на IBM предвиждат, че квантовите изчисления ще се превърнат в ключов бизнес диференциатор през следващите години thequantuminsider.com, и искат да бъдат в центъра на тази зараждаща се квантова икономика.
В заключение, проектът на IBM за квантов суперкомпютър с над 4 000 кубита представлява исторически скок в мащаба на квантовите изчисления. Ако е успешен, той ще отбележи прехода от изолирани, експериментални квантови процесори към свързани в мрежа квантови системи, които се доближават до прага на практическата полезност. Това начинание се намира на пресечната точка между авангардната физика, инженерството и компютърните науки. То е толкова постижение на софтуера, колкото и на хардуера, изискващо нови начини за управление и програмиране на изцяло нов вид суперкомпютър. Светът следи внимателно – не само заради рекордния брой кубити, но и за да види дали IBM може да демонстрира полезни резултати с тази машина, които надминават възможностите на класическите компютри.
Средата на 2025 г. заварва IBM на прага на това постижение: хардуерният дизайн е до голяма степен завършен, първоначалните прототипи работят, а компанията се надпреварва да интегрира всичко в работещ суперкомпютър. Успехът не е гарантиран, но инерцията и напредъкът досега са неоспорими. Дори конкурентите и скептиците биха се съгласили, че IBM драматично изтласка полето напред. Докато очакваме пълния дебют на квантовия суперкомпютър на IBM, едно е ясно – навлизаме в нова глава от сагата на изчисленията. Както самата IBM обяви, предстоящият квантово-центриран суперкомпютър е на път да се превърне в „основна технология за онези, които решават най-трудните проблеми, които правят най-новаторските изследвания и които разработват най-авангардните технологии“ insidehpc.com.
Следващите няколко години ще покажат дали това обещание ще се реализира, но ако залогът на IBM се изплати, 4 000 кубита наистина могат да променят изчисленията завинаги – отваряйки вратата към решения на проблеми, които някога сме смятали за невъзможни, и възвестявайки зората на ерата на квантовите изчисления.
Източници:
- IBM Newsroom: IBM Quantum roadmap and 4,000+ qubit system plans newsroom.ibm.com
- IBM Research Blog: Quantum roadmap update for quantum-centric supercomputing (2024) ibm.com
- IBM Quantum Summit 2023 Press Release newsroom.ibm.com
- TechMonitor: IBM представя квантов суперкомпютър, който може да достигне 4 000 кубита до 2025 г. techmonitor.ai
- IEEE Spectrum: Целта на IBM: процесор с 4 000 кубита до 2025 г. (анализ на пътната карта и предизвикателствата) spectrum.ieee.org
- InsideHPC: IBM на Think 2022 – визия за квантово-центрирано суперкомпютърство insidehpc.com
- The Quantum Insider: Пътни карти за квантови изчисления на основните играчи (IBM, Google, IonQ и др.) thequantuminsider.com
- TomorrowDesk: Преглед на целта на IBM за квантов суперкомпютър през 2025 г. и модулния дизайн tomorrowdesk.com
- Post-Quantum (индустриален блог): За необходимите кубити за разбиване на RSA-2048 криптиране postquantum.com
- TechMonitor: Цитати от д-р Дарио Хил от IBM и статистика за IBM Quantum Network techmonitor.ai
