- IBM plánuje kvantový superpočítač s více než 4 000 qubity do roku 2025, kterého dosáhne propojením tří čipů Kookaburra s 1 386 qubity do systému s 4 158 qubity.
- Modulární platforma Quantum System Two, představená v roce 2023, je navržena pro hostování více čipů a obsahuje kryogenní chladicí zařízení a pokročilou řídicí elektroniku.
- Koncem roku 2023 IBM spustila první Quantum System Two, který paralelně provozuje tři 133qubitové procesory Heron.
- Do konce roku 2025 má IBM v úmyslu hostovat tři čipy Kookaburra na System Two, čímž vytvoří jediný stroj s 4 158 qubity.
- IBM používá krátkodosahové propojky mezi čipy a kryogenní spoje k propojení čipů do jedné výpočetní struktury.
- Společnost tento přístup nazývá kvantově-centristické superpočítání, které propojuje QPU s CPU a GPU do jednotné výpočetní struktury.
- Qiskit Runtime a „circuit knitting“ umožňují vývojářům spouštět rozsáhlé kvantové úlohy napříč více čipy s vestavěnou mitigací chyb.
- Systém s více než 4 000 qubity bude v roce 2025 fungovat v režimu NISQ a bude se spoléhat na mitigaci chyb místo plné kvantové korekce chyb.
- Odborníci odhadují, že prolomení RSA-2048 by vyžadovalo asi 4 000 logických qubitů s korekcí chyb, což by pravděpodobně znamenalo miliony fyzických qubitů.
- Mezi konkurenty patří Google, který cílí na kvantové počítání s odolností proti chybám do roku 2029, IonQ usilující o algoritmické qubity, Quantinuum zaměřující se na vysokou věrnost a odolnost proti chybám a D-Wave nabízející anelační systém s více než 5 000 qubity.
IBM je na prahu průlomu v kvantovém počítání: „kvantový superpočítač“ s více než 4 000 qubity do roku 2025. Ambiciózní plán technologického giganta – součást širší kvantové strategie – slibuje revoluci ve výpočetní technice tím, že umožní řešit problémy, které dnešní nejrychlejší superpočítače nezvládnou. V této zprávě rozebereme kvantovou cestu IBM, konstrukci jeho systému s více než 4 000 qubity, pohledy odborníků (i hype), srovnání s konkurenty jako Google a IonQ a co by mohl znamenat stroj s 4 000 qubity pro svět.
Pozadí: Kvantová výpočetní mise IBM
IBM je průkopníkem v kvantovém počítání, vede v oblasti vývoje hardwaru i softwaru. Již v roce 2020 IBM představila kvantovou cestovní mapu a od té doby splnila každý milník. V roce 2021 předvedli 127qubitový procesor Eagle – čip tak složitý, že jeho obvody „nelze spolehlivě přesně simulovat na klasickém počítači“ insidehpc.com. V roce 2022 IBM představila čip Osprey s 433 qubity, což byl velký skok oproti Eagle v počtu qubitů techmonitor.ai. Nejnověji, koncem roku 2023, IBM dosáhla 1 121 qubitů se svým procesorem Condor – prvním kvantovým procesorem, který překonal hranici tisíce qubitůtomorrowdesk.com. Každý z těchto pokroků položil zásadní základy pro škálování na tisíce qubitů.
Ale strategie IBM není jen o navyšování počtu qubitů. Společnost zdůrazňuje full-stack přístup: robustní kvantový hardware, inteligentní kvantový software a široký ekosystém uživatelů a partnerů newsroom.ibm.com, insidehpc.com. V roce 2016 IBM zpřístupnila první kvantový počítač v cloudu pro veřejnost a dnes je přes 200 organizací a 450 000 uživatelů připojeno ke kvantovým službám IBM prostřednictvím cloudu techmonitor.ai. Softwarový framework IBM (Qiskit) a prostředí Qiskit Runtime umožňují vývojářům efektivně spouštět kvantové programy s vestavěnými nástroji pro zmírnění chyb a orchestraci hybridních kvantově-klasických úloh newsroom.ibm.com, insidehpc.com. Toto úzké propojení hardwaru a softwaru – spolu se sítí akademických a průmyslových spolupracovníků – je klíčové pro širší cíl IBM: přinést užitečné kvantové výpočty do světa, nejen laboratorní ukázky.
IBM ráda nazývá tuto vizi „kvantově-centristické superpočítačování“. Myšlenkou je nakonec propojit kvantové procesory (QPU) s klasickými CPU a GPU do jednotné výpočetní struktury insidehpc.com. Stejně jako moderní superpočítače kombinují CPU a AI akcelerátory pro zvládání AI úloh, IBM vidí budoucí superpočítače jako kombinaci kvantových a klasických jednotek pro řešení problémů, které by žádná z nich samostatně nezvládla insidehpc.com. Slovy Dr. Jaye Gambetty, viceprezidenta IBM pro kvantové technologie: „Nyní IBM zahajuje éru kvantově-centristického superpočítače, kde kvantové zdroje – QPU – budou propojeny s CPU a GPU do výpočetní struktury“, zaměřené na řešení „nejtěžších problémů“ ve vědě a průmyslu insidehpc.com. Je to odvážná vize, která jde dál než jen o vytvoření rychlejšího počítače; jde o změnu samotné podstaty výpočetní techniky.
Návrh kvantového superpočítače s více než 4 000 kubity
Jak postavit kvantový počítač s více než 4 000 kubity? Odpověď IBM: modularita. Místo jednoho obřího čipu IBM propojuje několik menších kvantových čipů do jednoho systému – podobně jako propojení uzlů v superpočítači. Nová generace platformy společnosti, nazvaná IBM Quantum System Two, je pro tento účel speciálně navržena. Systém Two, představený v roce 2023, je prvním modulárním kvantovým výpočetním systémem IBM, který obsahuje špičkovou kryogenní chladničku a řídicí elektroniku schopnou současně podporovat více kvantových procesorů techmonitor.ai, newsroom.ibm.com. Je to fyzický „dům“, který bude hostit nadcházející flotilu propojených čipů IBM, všechny chlazené téměř na absolutní nulu. Kombinací čipů může IBM rychle navyšovat počet kubitů bez nutnosti vyrábět nemožně velké jednotlivé čipy – tento přístup je zásadní pro skok ze stovek na tisíce kubitů.
Obrázek: Vize IBM pro kvantový superpočítač je propojit více kvantových čipů do jednoho systému. V roce 2025 plánuje IBM představit „Kookaburra“, procesor s 1 386 kubity a kvantovými komunikačními propojeními; tři čipy Kookaburra lze propojit do jednoho systému s 4 158 kubity ibm.com. Tato modulární architektura umožňuje IBM škálovat na tisíce kubitů propojováním menších procesorů místo spoléhání se na jeden obrovský čip.
Srdcem IBM plánu na 4 000 qubitů je jeho připravovaná rodina procesorů s ptačími kódovými názvy. V roce 2024 má IBM představit „Flamingo“, 462qubitový čip navržený k testování kvantové komunikace mezi čipy ibm.com. IBM plánuje demonstrovat design Flaminga propojením tří procesorů Flamingo do jednoho systému s 1 386 qubity – v podstatě ukáže, že více čipů může spolupracovat, jako by byly jeden ibm.com. Pak přijde ten velký: v roce 2025 IBM představí „Kookaburra“, procesor s 1 386 qubity určený pro modulární škálování ibm.com. Díky vestavěným komunikačním propojením mohou být tři čipy Kookaburra propojeny do jednoho stroje s 4 158 qubity ibm.com. Podle IBM to bude první kvantově-centrovaný superpočítač, který překoná hranici 4 000 qubitů.
Jak tato architektura vlastně vypadá? V podstatě IBM používá krátkodosahové propojky mezi čipy a kryogenní spoje k propojení qubitů napříč různými čipy spectrum.ieee.org. Představte si každý čip jako „dlaždici“ qubitů; propojky umožňují sousedním dlaždicím sdílet kvantové informace a speciální mikrovlnné kabely mohou propojit čipy, které jsou trochu dál od sebe spectrum.ieee.org. Výzvou je, aby se qubity na oddělených čipech chovaly téměř, jako by byly na stejném čipu – což není snadné, protože kvantové stavy jsou křehké. IBM vyvíjí novou technologii propojek, která udrží provázané qubity koherentní mezi čipy tomorrowdesk.com. System Two poskytuje ultra-chladné, bezvibrační prostředí a flexibilní zapojení pro tyto vícenásobné čipové sítě techmonitor.ai. To vše je řízeno „inteligentní“ řídicí vrstvou (software a klasický výpočet), která řídí kvantové operace napříč různými čipy a zajišťuje jejich spolupráci insidehpc.com.
Časový plán IBM počítá s tím, že systém s více než 4 000 kubity bude v provozu někdy v roce 2025 techmonitor.ai. Ve skutečnosti jsou již první části na svém místě. Koncem roku 2023 na IBM Quantum Summit společnost IBM spustila první Quantum System Two, který provozuje tři menší 133kubitové procesory „Heron“ paralelně newsroom.ibm.com. To sloužilo jako prototyp: Heron je čip s relativně malým počtem kubitů, ale s výrazně vylepšenou chybovostí, a IBM použila System Two k ukázce, že může provozovat více procesorů společně jako jeden systém newsroom.ibm.com. V průběhu příštího roku nebo dvou to IBM rozšíří – vymění větší čipy (jako Flamingo a poté Kookaburra) a propojí jich více. Cílem je, aby do konce roku 2025 IBM Quantum System Two hostil tři čipy Kookaburra a tím více než 4 000 propojených kubitů v jednom stroji techmonitor.ai. Při pohledu dále do budoucnosti si IBM dokonce představuje propojení více systémů System Two: například propojení tří takových systémů by v budoucnu mohlo vytvořit cluster s více než 16 000 kubity techmonitor.ai. Jinými slovy, 4 000 kubitů není konečný cíl – je to mezistupeň k ještě větším kvantovým strojům, které budou vznikat propojováním modulů, podobně jako klasické superpočítače škálují pomocí více uzlů.
Vize IBM: Postřehy od lídrů v oblasti kvantových technologií
Kvantový tým IBM je pochopitelně nadšený – a optimistický – ohledně toho, co tento skok na 4 000 qubitů znamená. Ředitel výzkumu IBM, Dr. Darío Gil, často hovořil o dosažení nové éry praktického kvantového počítání. „Realizace naší vize nám poskytla jasný pohled do budoucnosti kvantových technologií a na to, co bude potřeba k dosažení éry praktického kvantového počítání,“ řekl Gil, když IBM rozšířila svou cestovní mapu newsroom.ibm.com. S cílem 4 000+ qubitů na dohled to označil za příchod „éry kvantově-centrovaných superpočítačů, které otevřou rozsáhlé a výkonné výpočetní prostory“ pro vývojáře, partnery a klienty newsroom.ibm.com. Jinými slovy, IBM to vnímá jako úsvit kvantových počítačů, které nejsou jen laboratorními experimenty, ale výkonnými nástroji pro reálné využití.
Jay Gambetta, IBM Fellow a viceprezident pro kvantové technologie, označil rok 2023 za zásadní bod zlomu – okamžik, kdy se koncept kvantově-centrovaného superpočítače stal realitou v podobě prototypu techmonitor.ai. Podle Gambetty nestačí mít jen více qubitů; „kvantově-centrované superpočítače budou vyžadovat víc než jen spoustu qubitů“, vysvětlil – je také potřeba větší hloubka obvodů a úzká integrace s klasickými systémy techmonitor.ai. To odráží důraz IBM na kvalitu qubitů a bezproblémové propojení kvantového a klasického počítání. „Naším posláním je přinést užitečné kvantové počítání do světa,“ řekl Gambetta. „Budeme i nadále poskytovat nejlepší kvantovou nabídku v celém odvětví — a je na odvětví, aby tyto … systémy využilo“ techmonitor.ai. Zpráva je jasná: IBM dodá hardware a software a očekává, že firmy a výzkumníci s tím začnou dělat zásadní věci.
Na summitu Quantum Summit 2023 tým IBM vyjádřil optimistický postoj ohledně vyspělosti této technologie. „Jsme pevně v éře, kdy jsou kvantové počítače využívány jako nástroj k objevování nových hranic vědy,“ poznamenal Dr. Darío Gil a uvedl, že kvantové stroje už nejsou jen kuriozitou newsroom.ibm.com. Zdůraznil pokrok IBM v rozšiřování těchto systémů díky modulárnímu designu a slíbil, že „dále zvýšíme kvalitu kvantové technologie v měřítku utility – a dáme ji do rukou našim uživatelům a partnerům, kteří budou posouvat hranice složitějších problémů“ newsroom.ibm.com. V podstatě, jak IBM navyšuje počet qubitů, zároveň pracuje na tom, aby zlepšila věrnost qubitů a „chytrost“ softwaru, aby těchto tisíce qubitů mohly skutečně vykonávat užitečnou práci na složitých úlohách.
IBM dokonce používá živou metaforu pro nadcházející změnu. Společnost přirovnává přechod od dnešních začínajících kvantových počítačů k kvantovému superpočítači v roce 2025 k „nahrazení papírových map satelity GPS“ v navigaci ibm.com. Je to výstižný obraz: kvantové superpočítače by nás mohly provádět výpočetními problémy zcela novým způsobem, podobně jako GPS revolučně změnilo způsob, jakým se orientujeme. Zda se realita vyrovná optimismu IBM, se teprve uvidí, ale je jisté, že špičkoví odborníci IBM věří, že jsou na prahu něčeho velkého.
Co říkají experti: Hype a realita
Oznámení IBM o 4 000 qubitech vyvolalo velký rozruch, ale externí experti nás často upozorňují, abychom zůstali při zemi. Jeden z klíčových bodů, které zmiňují: více qubitů samo o sobě nezaručí užitečné výsledky. Dnešní kvantové bity jsou „hlučné“ – jsou náchylné k chybám – takže pouhé propojení tisíců nedokonalých qubitů problémy zázračně nevyřeší, pokud tyto qubity nedokážou udržet koherenci. IEEE Spectrum poznamenal, že plán IBM bude muset být doplněn o „inteligentní softwarovou vrstvu“, která bude řídit chyby a organizovat hybridní kvantově-klasickou zátěž spectrum.ieee.org. Ve skutečnosti může být výkonný nový softwarový stack „klíčem k tomu, aby bylo možné s procesorem o 4 000 qubitech udělat něco užitečného“, protože bude zajišťovat zmírňování chyb a rozdělovat úlohy mezi kvantový hardware a klasické koprocesory spectrum.ieee.org. Stručně řečeno, samotný počet qubitů není vše – stejně důležité je, jak tyto qubity využijete a ovládáte.
Někteří pozorovatelé průmyslu také zdůrazňují rozdíl mezi fyzickými qubity a logickými qubity. Logický qubit je qubit s opravou chyb, což je ve skutečnosti shluk mnoha fyzických qubitů, které společně fungují jako jeden velmi spolehlivý qubit. Odborníci odhadují, že prolomení moderního šifrování (například 2048bitových RSA klíčů chránících online bezpečnost) by vyžadovalo přibližně 4 000 logických qubitů s opravou chyb – což by v praxi mohlo znamenat miliony fyzických qubitů vzhledem k současným režijním nákladům na opravu chyb postquantum.com. Jak to vyjádřil jeden bezpečnostní analytik, „4 000 logických qubitů není totéž jako 4 000 skutečných qubitů“ – plně opravený kvantový počítač s tisíci logickými qubity je stále vzdáleným snem postquantum.com. IBM stroj s více než 4 000 qubity bude daleko od této ideální odolnosti proti chybám; bude se skládat z fyzických qubitů, které budou potřebovat chytré techniky zmírňování chyb, aby byly užitečné. Výzkumníci rychle upozorňují, že bychom neměli očekávat, že tento stroj například prolomí internetové šifrování nebo přes noc vyřeší každý neřešitelný problém.Přesto agresivní plán IBM staví společnost v závodě o počet qubitů před mnoho konkurentů a někteří odborníci chválí modulární přístup jako pragmatický způsob škálování. „Věříme, že klasické zdroje mohou skutečně rozšířit možnosti kvantových počítačů a vytěžit z nich maximum,“ poznamenal Blake Johnson, vedoucí Quantum Platform v IBM, a zdůraznil potřebu orchestraci mezi kvantovým a klasickým výpočetnictvím pro využití těchto velkých systémů spectrum.ieee.org. Tento názor je široce sdílen: budoucnost je „kvantově-plus-klasická“ spolupráce.
Konkurující vize: IBM vs. Google, IonQ a další
IBM není v kvantových závodech osamocené, ale jeho strategie se liší od ostatních hlavních hráčů. Google se například méně zaměřuje na počty qubitů v blízké budoucnosti a více na dosažení plně chybově korigovaného kvantového počítače. Cestovní mapa Googlu si klade za cíl realizovat užitečný, chybově korigovaný kvantový stroj do roku 2029 a společnost se soustavně zaměřuje na demonstraci logických qubitů a snižování chybovosti, místo aby se snažila překonávat rekordy v počtu qubitů thequantuminsider.com. (Současná zařízení Googlu, jako je 72-qubitový Bristlecone nebo novější verze jeho 53-qubitového Sycamore, mají mnohem méně qubitů než zařízení IBM, ale Google nedávno ukázal, že zvýšení počtu fyzických qubitů v logickém qubitu může snížit chybovost, což je slibný krok směrem ke škálovatelnosti thequantuminsider.com.) Ve veřejných prohlášeních vedení Googlu předpokládá časový horizont 5–10 let, než kvantové počítače začnou mít skutečný dopad thequantuminsider.com. Zatímco IBM míří k prototypu s 4 000 qubity, Google hraje na dlouhou trať, aby dosáhl plně chybově odolného kvantového počítače, i když bude mít v blízké budoucnosti jen desítky qubitů.
Quantinuum (společnost vzniklá spojením Honeywell a Cambridge Quantum) je další těžká váha, ale sleduje jinou technologickou cestu: qubity v iontové pasti. Quantinuum se zatím nesnaží o tisíce fyzických qubitů – jejich nejnovější systém s iontovou pastí má řádově 50–100 vysoce kvalitních qubitů – ale prokázali rekordní kvantový objem (měřítko celkové schopnosti) a dokonce v roce 2024 vytvořili 12 „logických“ qubitů pomocí korekce chyb thequantuminsider.com. Cestovní mapa Quantinuum cílí na plně chybově odolné kvantové počítání do roku 2030 a společnost klade důraz na dosažení „tří devítek“ fidelity (99,9% spolehlivost) a průlomy v oblasti logických qubitů jako milníky thequantuminsider.com. Jejich CEO, Rajeeb Hazra, tvrdí, že kvalita a pokrok v korekci chyb odemknou „trilionový trh“ pro kvantové technologie a tvrdí, že Quantinuum má „nejdůvěryhodnější cestovní mapu v oboru směrem k… chybově odolnému kvantovému počítání“ thequantuminsider.com. Stručně řečeno, Quantinuum se zaměřuje na zdokonalování qubitů a korekci chyb, i když to znamená méně qubitů prozatím – což je v kontrastu s velkou sázkou IBM na škálování a řešení šumu pomocí mitigace.
Dalším klíčovým konkurentem, IonQ, je společnost, která také využívá technologii zachycených iontů a stejně tak zdůrazňuje kvalitu qubitů. Vedení IonQ často vyzdvihuje „algoritmické qubity“ – interní metriku, která zohledňuje chybovost a konektivitu – namísto pouhého počtu fyzických qubitů thequantuminsider.com. Cestovní mapa IonQ směřuje k „široké kvantové výhodě do roku 2025“, ale prostřednictvím postupného zlepšování výkonu svých qubitů a budování modulárních, do racku montovaných iontových pastí, nikoli dosažením konkrétního vysokého počtu qubitů thequantuminsider.com. IonQ ve skutečnosti předpokládá, že k překonání mnohem větších hlučných kvantových počítačů v určitých úlohách bude potřebovat jen několik desítek vysoce kvalitních qubitů. Bývalý generální ředitel Peter Chapman předpověděl, že technologie IonQ „bude klíčová pro komerční kvantovou výhodu“, konkrétně zdůrazňoval algoritmické qubity před fyzickým počtem jako klíč k užitečným aplikacím thequantuminsider.com. Tato filozofie podtrhuje debatu v oboru: je kvantové počítání „hra o čísla“ (více qubitů rychleji) nebo „hra o kvalitu“ (lepší qubity, i když pomalejší škálování)? IBM tlačí na čísla (s ohledem i na kvalitu), zatímco IonQ je pevně v táboře kvality na prvním místě.
Pak je tu Rigetti Computing, menší hráč v oblasti supravodivých qubitů. Cestovní mapa Rigetti čelila zpožděním – doufali, že do roku 2024 dosáhnou 1 000 qubitů pomocí vícečipových modulů, ale ve skutečnosti jejich systémy stále mají jen desítky qubitů. K polovině roku 2025 Rigetti míří na skromnější systém s více než 100 qubity do konce roku 2025 thequantuminsider.com, přičemž se zaměřuje na zlepšení věrnosti a výkonu dvouqubitových hradel. Společnost se snaží držet krok s rychlým škálováním IBM, což ukazuje, jak náročné je pro nováčky vyrovnat se zdrojům a odbornosti IBM v této oblasti. Přesto Rigetti a další přispívají k inovacím (například Rigetti byl průkopníkem některých raných technik vícečipové integrace) a zdůrazňují, že náskok IBM není neotřesitelný, pokud se objeví zásadní průlomy (například lepší návrhy qubitů nebo materiály).
Za zmínku v tomto kontextu stojí také D-Wave Systems. D-Wave, kanadská společnost, má kvantové stroje na principu žíhání (jiný model kvantového počítání) s více než 5 000 kubity dnes thequantuminsider.com. Kubity D-Wave jsou však navrženy pro řešení optimalizačních problémů pomocí žíhání, nikoli pro obecné kvantové algoritmy. Vysokého počtu kubitů dosahují díky specializované architektuře, ale tyto kubity nemohou spouštět libovolné kvantové obvody jako zařízení IBM nebo Google. Generální ředitel D-Wave, Alan Baratz, poznamenal, že jejich technologie již přináší hodnotu v určitých aplikacích (například při optimalizaci rozvrhů v maloobchodu nebo směrování v telekomunikacích) thequantuminsider.com. Existence systému D-Wave s 5 000 kubity připomíná, že ne všechny kubity jsou stejné – kubity D-Wave jsou užitečné pro specifické úlohy, ale nelze je přímo srovnávat s kubity kvantových počítačů založených na hradlech. Cíl IBM s více než 4 000 kubity se týká univerzálních, na hradlech založených kubitů, což je mnohem náročnější z hlediska složitosti a schopností.
Shrnuto, IBM vyniká agresivním škálováním hardwaru se supervodivými kubity a snahou integrovat jej s klasickým počítáním v krátkém časovém horizontu. Google se zaměřuje na milníky v opravě chyb, Quantinuum a IonQ se soustředí na věrnost kubitů (s menším počtem kubitů v blízké budoucnosti) a společnosti jako Rigetti zaostávají s menšími zařízeními. Každý přístup má své výhody. Pokud bude IBM úspěšné, nastaví vysokou laťku v počtu kubitů a možná dosáhne kvantové výhody v užitečných úlohách dříve. Pokud však budou kubity příliš hlučné, těch 4 000 kubitů může nepřekonat 100 vynikajících kubitů konkurence. Příštích pár let bude fascinujícím závodem mezi různými filozofiemi v kvantovém počítání – a není samozřejmé, že více kubitů vždy vítězí, pokud není spojeno s kvalitou a chytrým softwarem.
Proč 4 000 kubitů? Možné aplikace a výzvy
Co by kvantový počítač s 4 000 kubity vlastně dokázal, pokud by fungoval podle očekávání? Pro srovnání, dnešní kvantové počítače (s desítkami nebo nízkými stovkami kubitů) zatím jasně nepřekonaly klasické počítače v žádném praktickém problému. IBM a další věří, že posunutím do tisíců kubitů vstoupíme do zóny, kde se užitečná kvantová výhoda stane možnou pro určité třídy problémů tomorrowdesk.com. Zde jsou některé aplikace a dopady, které by systém s 4 000 kubity mohl odemknout:
- Chemie a věda o materiálech: Kvantové počítače jsou obzvláště vhodné pro simulaci molekulárních a atomárních systémů. I ty největší klasické superpočítače mají potíže přesně modelovat chování složitých molekul a chemických reakcí. Výzkumníci IBM poukazují na to, že „málo oborů získá hodnotu z kvantového počítání tak rychle jako chemie,“ protože kvantové stroje dokážou přirozeně zpracovávat kvantovou povahu chemických interakcí ibm.com. Systém s 4 000 kubity by mohl potenciálně simulovat středně velké molekuly nebo nové materiály s vysokou přesností – což by pomohlo při objevování léků, vývoji nových materiálů (pro baterie, hnojiva, supravodiče atd.) a pochopení složitých chemických procesů. To jsou problémy, kde klasické metody narážejí na zeď kvůli exponenciální složitosti. Do roku 2025 IBM očekává, že kvantové počítače začnou zkoumat užitečné aplikace v přírodních vědách, jako je chemie ibm.com.
- Optimalizace a finance: Mnoho reálných problémů – od logistiky dodavatelských řetězců po optimalizaci portfolia – zahrnuje hledání nejlepšího řešení mezi astronomickým množstvím možností. Kvantové počítače s algoritmy jako QAOA nebo technikami kvantového žíhání nabízejí nové způsoby, jak řešit určité optimalizační problémy. Stroj s tisíci kubity by mohl zvládnout větší instance problémů nebo poskytnout přesnější řešení než současná zařízení. Generální ředitel IBM Arvind Krishna naznačil, že kvantové počítání umožní nové algoritmy pro optimalizaci, které mohou firmy využít, a potenciálně se tak stát klíčovým odlišovacím prvkem pro odvětví jako finance, energetika a výroba thequantuminsider.com. Systém s 4 000 kubity by například mohl řešit složité analýzy rizik nebo problémy s optimalizací tras, které klasické algoritmy nedokážou vyřešit v rozumném čase.
- Strojové učení a AI: Stále více se zkoumá kvantové strojové učení, kde by kvantové počítače mohly urychlit určité typy úloh strojového učení nebo nabídnout nové modelovací schopnosti. S tisíci kubity by kvantové počítače mohly začít implementovat modely kvantových neuronových sítí nebo provádět rychlejší lineární algebraické podúlohy, které jsou základem ML algoritmů. IBM se konkrétně zaměřuje na strojové učení jako testovací případ pro kvantové aplikace – očekává, že do roku 2025 budou kvantové počítače využívány k prozkoumávání případů použití strojového učení vedle klasického ML, což by mohlo zlepšit, jak rozpoznáváme vzory v datech nebo optimalizujeme ML modely ibm.com. Praktickým příkladem by mohl být kvantově vylepšený výběr příznaků nebo shlukování ve složitých datových souborech, které by mohly být urychleny kvantovými podúlohami.
- Vědecký výzkum a „velké výzvy“: Mimo cílené průmyslové obory by kvantový superpočítač s 4 000 qubity znamenal přínos pro základní vědu. Mohl by být využit k simulaci scénářů vysokých energií ve fyzice, optimalizaci návrhů kvantových materiálů nebo dokonce k řešení otázek v kryptografii a matematice. IBM zmiňuje přírodní vědy obecně – například problémy ve fyzice nebo biologii, které jsou v současnosti neřešitelné, by mohly ustoupit hybridnímu kvantovému přístupu ibm.com. Představte si navrhování katalyzátorů pro zachycování uhlíku nebo analýzu kvantových systémů v jaderné fyzice – to jsou extrémně složité výpočty, kde by kvantový počítač mohl přinést nové poznatky. Výzkumníci IBM sami poukazují na aplikace v chemii, optimalizaci a strojovém učení jako na první cíle pro kvantovou výhodu ibm.com.
To je ten zářivý příslib – ale co výzvy? Kvantový počítač s 4 000 qubity bude čelit vážným překážkám:
- Šum a chybovost: Dnešní qubity jsou náchylné k chybám; dekoherují (ztrácejí svůj kvantový stav) během mikrosekund a operace („hady“) mezi qubity nejsou dokonalé. S pouhými 50–100 qubity mohou kvantové algoritmy provést jen velmi krátkou sekvenci operací, než chyby převáží výsledek. Pokud máte tisíce qubitů, problém šumu se násobí. Ve skutečnosti propojení tří čipů (jak IBM plánuje) může zavést ještě více chyb kvůli mírně pomalejším, méně přesným operacím mezi čipy ibm.com. IBM si to uvědomuje a navrhuje software pro System Two tak, aby byl „vědomý“ architektury – například aby plánoval klíčové operace na stejném čipu a pečlivě řídil pomalejší mezichipové operace ibm.com. Bez korekce chyb (která nebude plně zavedena do roku 2025) se IBM bude spoléhat na zmírňování chyb: chytré triky ke snížení dopadu chyb. To zahrnuje techniky jako pravděpodobnostní rušení chyb, kdy záměrně zavádíte další šum, abyste se o šumu něco dozvěděli, a pak klasicky zpracujete výsledky, abyste chyby odstranili spectrum.ieee.org. Tyto metody jsou výpočetně náročné a nejsou dokonalé, ale výzkum IBM naznačuje, že některé lze škálovat i na zařízení této velikosti spectrum.ieee.org. Přesto je zvládání šumu tím ústředním problémem – je to důvod, proč kvantové počítače dosud nevyřešily reálné problémy, a stroj s 4 000 qubity uspěje jen tehdy, pokud IBM dokáže udržet chyby pod kontrolou natolik, aby bylo možné provádět hluboké výpočty.
- Oprava chyb a logické qubity: Dlouhodobým řešením šumu je kvantová oprava chyb (QEC), která seskupí mnoho fyzických qubitů do jednoho logického qubitu, jenž dokáže přežít chyby. IBMův systém s 4 000 qubity bude pravděpodobně stále fungovat v režimu „NISQ“ (Noisy Intermediate-Scale Quantum), což znamená, že zatím nebude probíhat rozsáhlá oprava chyb – jednoduše nebude dostatek qubitů na úplnou opravu chyb všech 4 000. (Pro představu, přeměna i několika tisíc fyzických qubitů na několik málo logických qubitů by mohla spotřebovat celý stroj.) IBM však připravuje půdu pro opravu chyb. Společnost aktivně zkoumá nové QEC kódy (například kvantový LDPC kód, který je efektivnější na počet qubitů než tradiční povrchové kódy) a rychlé dekodéry chyb thequantuminsider.com. Ve skutečnosti IBM nedávno rozšířila svůj plán až do roku 2033, přičemž po roce 2025 výslovně upřednostňuje zlepšení kvality hradel a vývoj modulů s opravou chyb newsroom.ibm.com. Superpočítač s 4 000 qubity lze vnímat jako most: má být dostatečně velký, aby umožnil provádět některé užitečné věci s zmírňováním chyb, a zároveň naučil IBM, jak implementovat částečnou opravu chyb ve velkém měřítku. IBM dokonce oznámila plán na prototyp kvantového počítače odolného vůči chybám do roku 2029 hpcwire.com, což naznačuje, že oprava chyb je skutečně na jejich pořadu dne, jakmile bude dosaženo milníku 4 000 qubitů. Přesto dosažení plně opravených (logických) qubitů bude vyžadovat řádově více qubitů nebo mnohem lepší věrnost qubitů – pravděpodobně kombinaci obojího.
- Software a vývojářské nástroje: I když máte kvantový stroj s 4 000 qubity, potřebujete software, který jej dokáže efektivně využít. Kvantové algoritmy je třeba namapovat na tento složitý hardware s více čipy. IBM toto řeší pomocí nástrojů jako Qiskit Runtime a Quantum Serverless architektura. Tyto nástroje umožňují uživateli rozdělit problém na menší kvantové obvody, spustit je paralelně na různých kvantových čipech a spojit výsledky pomocí klasického zpracování ibm.com. Například „circuit knitting“ je jednou z technik, které IBM zdůrazňuje – rozdělení velkého obvodu na části, které se vejdou na menší procesory, a následné klasické spojení výsledků ibm.com. Do roku 2025 plánuje IBM mít na své cloudové platformě funkce jako dynamické obvody (kde výsledky měření mohou ovlivnit budoucí operace v reálném čase) a vestavěné potlačení chyb ibm.com. Výzvou bude učinit toto vše přátelské pro vývojáře. IBM chce, aby byl kvantový výpočetní výkon dostupný tak, aby jej mohli využívat datoví vědci a odborníci na danou oblast (nejen kvantoví PhD) a mohli využít těch 4 000 qubitů ibm.com. Dosažení dobré abstrakce – kdy uživatel může například zavolat vysoce úroveň funkce pro simulaci molekuly a systém sám zjistí, jak pro to nasadit 4 000 qubitů – bude klíčové pro praktickou využitelnost. Přístup IBM zde je koncept kvantového middleware a „app store“ kvantových primitiv: předpřipravené funkce pro běžné úlohy, jako je vzorkování pravděpodobnostních rozdělení nebo odhadování vlastností systémů ibm.com. Pokud bude tento přístup úspěšný, chemik v roce 2025 možná nebude muset znát detaily hardwaru; jednoduše použije software IBM a využije sílu 4 000 qubitů pro svou simulaci.
- Fyzická infrastruktura: Škálování na tisíce qubitů není jen výpočetní výzvou, ale inženýrským maratonem. Kvantové procesory musí být chlazeny na milikelvinové teploty – chladnější než vesmír. IBM muselo navrhnout novou ředicí chladničku (IBM Quantum System Two), která je větší a modulárnější než předchozí modely, aby pojala více čipů a veškeré jejich řídicí vedení techmonitor.ai. Chladnička, elektronika a kabeláž se s přidáváním qubitů stávají stále složitějšími. Tisíce qubitů znamenají tisíce mikrovlnných řídicích linek, sofistikované filtry zabraňující úniku tepla a šumu ke qubitům a obrovské datové toky z jejich odečtů. Inženýři IBM přirovnávají složitost škálování kvantových systémů ke stavbě prvních superpočítačů nebo vesmírných misí. Do roku 2025 IBM očekává, že „odstraní hlavní překážky škálování“ pomocí modulárního hardwaru a odpovídající řídicí elektroniky ibm.com – stojí však za zmínku, že právě nyní IBM na tyto hranice naráží. System Two v New Yorku je v podstatě prototypem pro zvládání takové složitosti newsroom.ibm.com. IBM také instaluje System Two v Evropě (ve spolupráci s baskickou vládou ve Španělsku) do roku 2025 tomorrowdesk.com, což otestuje, jak lze tuto špičkovou infrastrukturu replikovat mimo vlastní laboratoř IBM. Úspěch těchto nasazení bude důležitým důkazem, že potrubí a kabeláž kvantového superpočítače lze učinit spolehlivými a udržovatelnými.
S ohledem na tyto výzvy odborníci mírní očekávání tím, že poznamenávají, že 4 000-qubitový stroj IBM bude pravděpodobně vysoce specializovaným nástrojem. Může překonat klasické superpočítače v konkrétních úlohách (simulace kvantové chemie, určité optimalizace nebo úlohy strojového učení, jak bylo zmíněno), dosáhnout kvantové výhody nebo dokonce náznaků kvantové nadvlády v užitečných kontextech. Okamžitě však klasické počítače neudělá zastaralými. Ve skutečnosti pro mnoho úloh budou klasické superpočítače a GPU stále rychlejší nebo praktičtější. I samotná roadmapa IBM s touto synergií počítá: kvantový superpočítač má pracovat s klasickým HPC, přičemž každý dělá to, co umí nejlépe tomorrowdesk.com. Proto bychom měli 4 000-qubitový systém vnímat jako jeden z prvních skutečných „kvantových akcelerátorů“ – něco, co použijete vedle klasického výpočetního výkonu k řešení těch opravdu těžkých problémů, které samotné klasické stroje nedokážou rozlousknout. Je to významný krok k naplnění konečného snu o bezchybné kvantové výpočetní technice, ale není to konečná stanice.
Další cesta: Kvantová roadmapa IBM po roce 2025
IBMův superpočítač s více než 4 000 qubity je významným milníkem, ale je součástí delšího plánu, který sahá až do 30. let tohoto století. IBM veřejně uvedla, že do roku 2025, s tímto kvantově-centrovaným superpočítačem v provozu, „odstraní některé z největších překážek v rozšiřování kvantového hardwaru“ ibm.com. Vývoj tím ale neskončí. V roce 2025 a dále se bude IBM stále více zaměřovat na škálování s kvalitou – zlepšování věrnosti qubitů, korekci chyb a složitost obvodů, které lze provozovat.
Ve skutečnosti na konci roku 2023 IBM aktualizovala svou Quantum Development Roadmap až do roku 2033. Jeden z klíčových cílů: přibližně v letech 2026–2027 zavést kvantové operace s korekcí chyb na svých systémech a směřovat k „pokročilým systémům s korekcí chyb“ později v této dekádě newsroom.ibm.com. IBM dává prioritu zlepšení věrnosti hradel (snižování chybovosti) tak, aby se větší kvantové obvody (s tisíci operacemi) staly proveditelnými newsroom.ibm.com. To naznačuje, že po dosažení milníku v počtu qubitů se IBM zaměří na zlepšování kvality jednotlivých qubitů a postupné začleňování korekce chyb. Konkrétním příkladem je práce IBM na nových kódech pro korekci chyb, jako jsou kvantové LDPC kódy, a rychlejších dekódovacích algoritmech, které mají za cíl zvládat chyby efektivněji než dnešní povrchové kódy thequantuminsider.com. Hovoří se také o procesoru IBM s kódovým označením „Loon“ kolem roku 2025, který má testovat komponenty architektury s korekcí chyb (například moduly pro propojení qubitů pro konkrétní QEC kód) hpcwire.com. Do roku 2029 si IBM klade za cíl postavit demonstrovatelný prototyp kvantového počítače odolného vůči chybám, čímž se přiblíží konkurentům jako Google v dosažení tohoto konečného cílehpcwire.com.
Na hardwarové frontě bude IBM pravděpodobně pokračovat ve své řadě procesorů pojmenovaných po ptácích i po Kookabuře. Plán po roce 2025 není zcela veřejný, ale IBM naznačila, že zkoumá ještě větší vícečipové systémy a možná hybridní technologie. Například vize IBM o kvantovém superpočítači zahrnuje kvantové komunikační propojení, které může spojovat shluky čipů na dálku, nejen ve stejné chladicí jednotce newsroom.ibm.com. Můžeme tedy vidět, že IBM začlení optická vlákna nebo jiné metody pro propojení kvantových procesorů v různých kryostatech – podobně jako kvantová lokální síť. To by v dlouhodobém horizontu umožnilo dosáhnout desítek tisíc nebo dokonce milionů qubitů, což podle IBM bude potřeba pro řešení nejtěžších problémů (a pro plnou opravu chyb) newsroom.ibm.com, insidehpc.com. Podle slov IBM by jejich modulární a síťový přístup měl umožnit škálování na „stovky tisíc qubitů“ v průběhu času newsroom.ibm.com. Systém s 4 000 qubity je v podstatě první realizací architektury kvantového superpočítače, která může růst propojením dalších modulů.
Širší plán IBM také zahrnuje rozvoj kvantového ekosystému. Společnost investuje do vzdělávání, partnerství a cloudové dostupnosti, aby v době, kdy bude hardware připraven, existovala komunita připravená jej využít. Například IBM spolupracuje s národními laboratořemi, univerzitami a dokonce i regionálními vládami (například v Japonsku, Koreji, Německu a Španělsku) na hostování kvantových systémů a podpoře místního rozvoje. Plán nasadit první IBM Quantum System Two v Evropě ve Španělsku do roku 2025 tomorrowdesk.com je součástí této strategie – umožnit více lidem pracovat s pokročilým kvantovým hardwarem. Vedení IBM předpovídá, že kvantové výpočty se v příštích letech stanou klíčovým obchodním odlišovatelem thequantuminsider.com a chtějí být v centru vznikající kvantové ekonomiky.
Závěrem lze říci, že projekt kvantového superpočítače IBM s více než 4 000 qubity představuje historický skok v měřítku kvantového počítání. Pokud bude úspěšný, bude znamenat přechod od izolovaných, experimentálních kvantových procesorů k propojeným kvantovým systémům, které se blíží prahu praktické využitelnosti. Tento podnik se nachází na průsečíku špičkové fyziky, inženýrství a informatiky. Je to stejně tak softwarový úspěch jako hardwarový, protože vyžaduje nové způsoby správy a programování zcela nového typu superpočítače. Svět pozorně sleduje – nejen kvůli rekordnímu počtu qubitů, ale i kvůli tomu, zda IBM dokáže na tomto stroji předvést užitečné výsledky, které překonají možnosti klasických počítačů.
V polovině roku 2025 je IBM na prahu tohoto úspěchu: návrh hardwaru je z velké části hotový, první prototypy běží a společnost závodí s časem, aby vše integrovala do funkčního superpočítače. Úspěch není zaručen, ale dynamika a dosavadní pokrok jsou nepopiratelné. I konkurenti a skeptici by souhlasili, že IBM výrazně posunula obor vpřed. Zatímco čekáme na plné představení kvantového superpočítače IBM, je jasné jedno – vstupujeme do nové kapitoly počítačové ságy. Jak sama IBM prohlásila, nadcházející kvantově-centrovaný superpočítač se chystá stát „zásadní technologií pro ty, kteří řeší nejtěžší problémy, dělají nejprůlomovější výzkum a vyvíjejí nejmodernější technologie“ insidehpc.com.
Následující roky ukážou, zda se tento slib naplní, ale pokud sázka IBM vyjde, 4 000 qubitů by skutečně mohlo navždy změnit výpočetní techniku – otevřít dveře k řešením problémů, které jsme dříve považovali za nemožné, a ohlašovat úsvit éry kvantového počítání.
Zdroje:
- 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 Tisková zpráva newsroom.ibm.com
- TechMonitor: IBM představuje kvantový superpočítač, který by mohl dosáhnout 4 000 qubitů do roku 2025 techmonitor.ai
- IEEE Spectrum: Cíl IBM: procesor s 4 000 qubity do roku 2025 (analýza plánu a výzev) spectrum.ieee.org
- InsideHPC: IBM na Think 2022 – vize kvantově-centristického superpočítače insidehpc.com
- The Quantum Insider: Plány hlavních hráčů v oblasti kvantových počítačů (IBM, Google, IonQ, atd.) thequantuminsider.com
- TomorrowDesk: Přehled cíle IBM pro kvantový superpočítač v roce 2025 a modulárního designu tomorrowdesk.com
- Post-Quantum (průmyslový blog): O počtu qubitů potřebných k prolomení šifrování RSA-2048 postquantum.com
- TechMonitor: Citace Dr. Daría Gila z IBM a statistiky IBM Quantum Network techmonitor.ai
