- IBM planira kvantno superračunalo s više od 4.000 kubita do 2025., postignuto međusobnim povezivanjem tri Kookaburra čipa sa 1.386 kubita u sustav od 4.158 kubita.
- Modularna platforma Quantum System Two, predstavljena 2023., dizajnirana je za smještaj više čipova i sadrži kriogeni hladnjak i naprednu upravljačku elektroniku.
- Krajem 2023. IBM je pokrenuo prvi Quantum System Two, koji paralelno koristi tri Heron procesora sa 133 kubita.
- Do kraja 2025. IBM namjerava smjestiti tri Kookaburra čipa na System Two, stvarajući jedan stroj s 4.158 kubita.
- IBM koristi kratkodosežne spojnice između čipova i kriogene veze za povezivanje čipova u jedinstvenu računalnu cjelinu.
- Tvrtka ovaj pristup naziva kvantno-centričnim superračunalstvom, ispreplićući QPU-ove s CPU-ovima i GPU-ovima u jedinstvenu računalnu strukturu.
- Qiskit Runtime i circuit knitting omogućuju programerima pokretanje velikih kvantnih zadataka na više čipova s ugrađenom mitigacijom pogrešaka.
- Sustav s više od 4.000 kubita radit će u NISQ režimu 2025., oslanjajući se na mitigaciju pogrešaka umjesto potpune kvantne korekcije pogrešaka.
- Stručnjaci procjenjuju da bi za razbijanje RSA-2048 bilo potrebno oko 4.000 logičkih kubita s korekcijom pogrešaka, što vjerojatno znači milijune fizičkih kubita.
- Konkurenti uključuju Google, koji cilja na kvantno računalstvo s tolerancijom na pogreške do 2029., IonQ koji razvija algoritamske kubite, Quantinuum s fokusom na visoku vjernost i toleranciju na pogreške, te D-Wave koji nudi sustav za aneliranje s više od 5.000 kubita.
IBM je na pragu kvantnog računalnog proboja: “kvantno superračunalo” s više od 4.000 kubita do 2025.. Ambiciozni plan tehnološkog diva – dio šire kvantne strategije – obećava revolucionirati računalstvo rješavanjem problema koje današnji najbrži superračunala ne mogu riješiti. U ovom izvještaju razložit ćemo IBM-ovo kvantno putovanje, dizajn njegovog sustava s više od 4.000 kubita, uvide stručnjaka (i hype), kako se uspoređuje s konkurentima poput Googlea i IonQ-a, te što bi stroj s 4.000 kubita mogao značiti za svijet.
Pozadina: IBM-ova potraga za kvantnim računalstvom
IBM je bio pionir u kvantnom računalstvu, predvodeći razvoj i hardvera i softvera. Još 2020. IBM je predstavio kvantnu mapu puta i od tada je ispunio svaku prekretnicu. Demonstrirali su 127‑kubitni Eagle procesor 2021. – čip toliko složen da se njegovi sklopovi “ne mogu pouzdano točno simulirati na klasičnom računalu” insidehpc.com. Do 2022. IBM je predstavio 433‑kubitni Osprey čip, veliki iskorak u broju kubita u odnosu na Eagle techmonitor.ai. Najnovije, krajem 2023., IBM je dosegao 1.121‑kubitnu granicu sa svojim Condor procesorom – prvim kvantnim procesorom koji je probio granicu od tisuću kubitatomorrowdesk.com. Svako od ovih postignuća postavilo je ključne temelje za skaliranje na tisuće kubita.
Ali IBM-ova strategija nije samo u povećavanju broja kubita. Tvrtka naglašava pristup punog stoga: robusni kvantni hardver, inteligentni kvantni softver i široki ekosustav korisnika i partnera newsroom.ibm.com, insidehpc.com. Godine 2016. IBM je prvi put omogućio javnosti pristup kvantnom računalu putem oblaka, a danas je više od 200 organizacija i 450.000 korisnika povezano s IBM-ovim kvantnim uslugama putem oblaka techmonitor.ai. IBM-ov softverski okvir (Qiskit) i Qiskit Runtime okruženje omogućuju programerima učinkovito pokretanje kvantnih programa, s ugrađenim alatima za ublažavanje pogrešaka i orkestraciju hibridnih kvantno-klasičnih radnih opterećenja newsroom.ibm.com, insidehpc.com. Ova čvrsta integracija hardvera i softvera – zajedno s mrežom akademskih i industrijskih suradnika – ključna je za širi IBM-ov cilj: dovesti korisno kvantno računalstvo u svijet, a ne samo laboratorijske demonstracije.
IBM ovu viziju voli nazivati “kvantno-centrično superračunalstvo.” Ideja je da se jednog dana kvantni procesori (QPU-ovi) isprepletu s klasičnim CPU-ovima i GPU-ovima u besprijekornu računalnu strukturu insidehpc.com. Kao što suvremeni superračunala kombiniraju CPU-ove i AI akceleratore za obradu AI zadataka, IBM vidi buduća superračunala koja kombiniraju kvantne i klasične pogone za rješavanje problema koje nijedan ne bi mogao riješiti samostalno insidehpc.com. Riječima dr. Jaya Gambette, IBM-ovog potpredsjednika za kvantno računalstvo, “Sada IBM uvodi eru kvantno-centričnog superračunala, gdje će kvantni resursi – QPU-ovi – biti isprepleteni s CPU-ovima i GPU-ovima u računalnu strukturu”, s ciljem rješavanja “najzahtjevnijih problema” u znanosti i industriji insidehpc.com. To je hrabra vizija koja nadilazi samo izradu bržeg računala; radi se o promjeni samog oblika računalstva.
Dizajniranje kvantnog superračunala s više od 4.000 kubita
Kako izgraditi kvantno računalo s više od 4.000 kubita? IBM-ov odgovor: modularnost. Umjesto jednog golemog čipa, IBM povezuje više manjih kvantnih čipova u jedan sustav – slično kao povezivanje čvorova u superračunalu. Sljedeća generacija IBM-ove platforme, nazvana IBM Quantum System Two, posebno je dizajnirana za to. Predstavljen 2023. godine, System Two je prvi IBM-ov modularni sustav za kvantno računalstvo, s vrhunskim kriogenim hladnjakom i upravljačkom elektronikom koja može istovremeno podržavati više kvantnih procesora techmonitor.ai, newsroom.ibm.com. To je fizička “kuća” koja će ugostiti IBM-ovu nadolazeću flotu povezanih čipova, sve ohlađene gotovo do apsolutne nule. Kombiniranjem čipova, IBM može brzo povećati broj kubita bez potrebe za izradom nemoguće velikih pojedinačnih čipova – pristup ključan za skok s nekoliko stotina na tisuće kubita.
Slika: IBM-ova vizija kvantnog superračunala je povezivanje više kvantnih čipova u jedan sustav. U 2025. IBM planira predstaviti “Kookaburra”, procesor s 1.386 kubita i kvantnim komunikacijskim vezama; tri Kookaburra čipa mogu se povezati u jedan sustav s 4.158 kubita ibm.com. Ova modularna arhitektura omogućuje IBM-u skaliranje na tisuće kubita umrežavanjem manjih procesora umjesto oslanjanja na jedan ogroman čip.
Srce IBM-ovog plana za 4.000 kubita je njegova nadolazeća obitelj procesora s ptičjim kodnim imenima. U 2024. godini, očekuje se da će IBM predstaviti “Flamingo,” čip sa 462 kubita dizajniran za testiranje kvantne komunikacije između čipova ibm.com. IBM planira demonstrirati dizajn Flaminga povezivanjem tri Flamingo procesora u jedan sustav od 1.386 kubita – u suštini pokazujući da više čipova može raditi zajedno kao da su jedan ibm.com. Zatim dolazi veliki: 2025. IBM će predstaviti “Kookaburra”, procesor sa 1.386 kubita izgrađen za modularno skaliranje ibm.com. Zahvaljujući ugrađenim komunikacijskim vezama, tri Kookaburra čipa mogu se međusobno povezati i formirati jedan stroj s 4.158 kubita ibm.com. Prema IBM-u, ovo će biti prvo kvantno-centrično superračunalo, koje probija granicu od 4.000 kubita.Kako izgleda ova arhitektura? U suštini, IBM koristi spojnice za kratki domet između čipova i kriogene veze za povezivanje kubita na različitim čipovima spectrum.ieee.org. Zamislite svaki čip kao “pločicu” kubita; spojnice omogućuju susjednim pločicama dijeljenje kvantnih informacija, a posebni mikrovalni kabeli mogu povezivati čipove koji su malo udaljeniji spectrum.ieee.org. Izazov je natjerati kubite na odvojenim čipovima da se ponašaju gotovo kao da su na istom čipu – što nije lako, jer su kvantna stanja krhka. IBM razvija novu tehnologiju spojnica kako bi održao koherenciju zapletenih kubita između čipova tomorrowdesk.com. System Two osigurava ultra-hladno, bezvibracijsko okruženje i fleksibilnu postavu ožičenja za smještaj ovih mreža s više čipova techmonitor.ai. Sve ovo orkestrira “inteligentni” kontrolni sloj (softver i klasično računalo) koji usmjerava kvantne operacije preko različitih čipova, čineći da rade usklađeno insidehpc.com.
IBM-ov vremenski plan predviđa da će sustav s više od 4.000 kubita biti operativan negdje tijekom 2025. godine techmonitor.ai. Zapravo, prvi dijelovi su već postavljeni. Krajem 2023. na IBM Quantum Summitu, IBM je pokrenuo prvi Quantum System Two, koji paralelno koristi tri manja “Heron” procesora sa 133 kubita newsroom.ibm.com. Ovo je služilo kao prototip: Heron je čip s relativno malo kubita, ali sa značajno poboljšanim stopama pogreške, a IBM je koristio System Two kako bi pokazao da može upravljati s više procesora zajedno kao jednim sustavom newsroom.ibm.com. Tijekom sljedeće godine ili dvije, IBM će ovo povećavati – zamjenjujući veće čipove (poput Flaminga, a zatim Kookaburre) i povezujući ih još više. Cilj je da do kraja 2025. IBM Quantum System Two ugosti tri Kookaburra čipa i tako >4.000 povezanih kubita u jednom stroju techmonitor.ai. Gledajući još dalje, IBM čak zamišlja povezivanje više System Two sustava: primjerice, povezivanje tri takva sustava moglo bi u budućnosti dati klaster s više od 16.000 kubita techmonitor.ai. Drugim riječima, 4.000 kubita nije krajnji cilj – to je korak prema još većim kvantnim strojevima izgrađenima umrežavanjem modula, slično kao što se klasična superračunala skaliraju s više čvorova.
IBM-ova vizija: Uvidi kvantnih lidera
IBM-ov kvantni tim je, razumljivo, uzbuđen – i optimističan – zbog onoga što ovaj skok na 4.000 kubita znači. IBM-ov direktor istraživanja, dr. Darío Gil, često je govorio o ulasku u novu eru praktičnog kvantnog računalstva. “Provedba naše vizije omogućila nam je jasan uvid u budućnost kvantnog računalstva i što je potrebno da bismo došli do ere praktičnog kvantnog računalstva,” rekao je Gil, dok je IBM proširivao svoju mapu puta newsroom.ibm.com. S ciljem od 4.000+ kubita na vidiku, opisao je to kao početak “ere kvantno-centričnih superračunala koja će otvoriti velike i moćne računalne prostore” za programere, partnere i klijente newsroom.ibm.com. Drugim riječima, IBM ovo vidi kao zoru kvantnih računala koja nisu samo laboratorijski eksperimenti, već moćni alati za stvarnu primjenu.
Jay Gambetta, IBM Fellow i potpredsjednik za kvantno računalstvo, nazvao je 2023. godinu velikom točkom preokreta – trenutkom kada je koncept kvantno-centričnog superračunala postao stvarnost u obliku prototipa techmonitor.ai. Prema Gambetti, samo imati više kubita nije dovoljno; “kvantno-centrično superračunalstvo zahtijevat će više od samog velikog broja kubita”, objasnio je – potrebna je i veća dubina sklopova i čvrsta integracija s klasičnim sustavima techmonitor.ai. Ovo odražava IBM-ov naglasak na kvaliteti kubita i besprijekornom spajanju kvantnog i klasičnog računalstva. “Naša misija je donijeti korisno kvantno računalstvo svijetu,” rekao je Gambetta. “Nastavit ćemo pružati najbolju cjelovitu kvantnu ponudu u industriji — a na industriji je da te … sustave iskoristi” techmonitor.ai. Poruka je: IBM će isporučiti hardver i softver, a očekuju da će poduzeća i istraživači početi raditi značajne stvari s time.
Na Quantum Summitu 2023., IBM-ov tim izrazio je optimističan stav o zrelosti tehnologije. “Čvrsto smo u eri u kojoj se kvantna računala koriste kao alat za istraživanje novih granica znanosti,” izjavio je dr. Darío Gil, napominjući da kvantni strojevi više nisu samo znatiželje newsroom.ibm.com. Istaknuo je IBM-ov napredak u skaliranju ovih sustava kroz modularni dizajn i obećao “daljnje povećanje kvalitete kvantnog tehnološkog stoga korisne veličine – i stavljanje u ruke naših korisnika i partnera koji će pomicati granice složenijih problema” newsroom.ibm.com. U suštini, dok IBM povećava broj kubita, također rade na tome da poboljšaju vjernost kubita i “pamet” softvera, kako bi ti tisuće kubita zapravo mogli obavljati korisne zadatke na složenim problemima.IBM čak koristi živopisan metaforu za nadolazeću promjenu. Tvrtka uspoređuje prijelaz s današnjih začetnih kvantnih računala na kvantno superračunalo 2025. s “zamjenom papirnatih karata GPS satelitima” u navigaciji ibm.com. To je slikovita slika: kvantna superračunala mogla bi nas voditi kroz računalne probleme na temeljno nov način, baš kao što je GPS revolucionirao način na koji pronalazimo put. Hoće li stvarnost odgovarati IBM-ovom optimizmu, tek treba vidjeti, ali nema sumnje da IBM-ovi vrhunski stručnjaci vjeruju da su na pragu nečeg velikog.
Što kažu stručnjaci: Hype i provjera stvarnosti
IBM-ova najava o 4.000 kubita izazvala je mnogo uzbuđenja, ali vanjski stručnjaci često nas podsjećaju da ostanemo prizemljeni u očekivanjima. Jedna od ključnih točaka koju ističu: više kubita samo po sebi ne jamči korisne rezultate. Današnji kvantni bitovi su “bučni” – skloni su pogreškama – pa samo povezivanje tisuća nesavršenih kubita ne rješava čudesno probleme ako ti kubiti ne mogu održati koherenciju. IEEE Spectrum je napomenuo da će IBM-ov plan trebati biti popraćen “inteligentnim softverskim slojem” za upravljanje pogreškama i orkestraciju hibridnog kvantno-klasičnog opterećenja spectrum.ieee.org. Zapravo, moćan novi softverski stog mogao bi biti “ključ za bilo što korisno” s procesorom od 4.000 kubita, upravljajući ublažavanjem pogrešaka i dijeljenjem zadataka između kvantnog hardvera i klasičnih koprocesora spectrum.ieee.org. Ukratko, sirovi broj kubita nije sve – način na koji koristite i kontrolirate te kubite jednako je presudan.
Neki promatrači industrije također ističu jaz između fizičkih kubita i logičkih kubita. Logički kubit je kubit s ispravljanjem pogrešaka, zapravo skup mnogih fizičkih kubita koji zajedno djeluju kao jedan vrlo pouzdan kubit. Stručnjaci procjenjuju da bi za razbijanje moderne enkripcije (poput RSA ključeva od 2048 bita koji štite internetsku sigurnost) bilo potrebno otprilike 4.000 logičkih kubita s ispravljanjem pogrešaka – što bi u praksi moglo značiti milijune fizičkih kubita s obzirom na trenutne troškove ispravljanja pogrešaka postquantum.com. Kako je jedan sigurnosni analitičar rekao, “4.000 logičkih kubita nije isto što i 4.000 stvarnih kubita” – potpuno ispravljeno-korektiran kvantni računalnik s tisućama logičkih kubita još je uvijek daleki san postquantum.com. IBM-ov stroj s više od 4.000 kubita bit će daleko od tog ideala otpornog na pogreške; sastojat će se od fizičkih kubita koji zahtijevaju pametne tehnike ublažavanja pogrešaka kako bi bili korisni. Istraživači brzo upozoravaju da ne bismo trebali očekivati da će ovaj stroj, primjerice, probiti internetsku enkripciju ili preko noći riješiti svaki nerješiv problem.S druge strane, IBM-ova agresivna razvojna mapa stavlja ga ispred mnogih konkurenata u utrci za što više kubita, a neki stručnjaci hvale modularni pristup kao pragmatičan način za skaliranje. “Vjerujemo da klasični resursi mogu zaista unaprijediti ono što možete učiniti s kvantnim računalima i izvući maksimum iz tog kvantnog resursa,” istaknuo je Blake Johnson, voditelj IBM-ove Quantum Platforme, naglašavajući potrebu za usklađivanjem kvantnog i klasičnog računalstva kako bi se iskoristili ovi veliki sustavi spectrum.ieee.org. Ovaj stav je široko prihvaćen: budućnost je “kvantno-plus-klasično” u zajedničkom radu.
Suprotstavljene vizije: IBM protiv Googlea, IonQ-a i drugih
IBM nije jedini u kvantnoj utrci, ali njegova se strategija razlikuje od ostalih velikih igrača. Google, na primjer, manje je usmjeren na broj kubita u bliskoj budućnosti, a više na postizanje potpuno ispravljenog kvantnog računala bez pogrešaka. Googleova mapa puta ima za cilj ostvariti korisno, ispravljeno kvantno računalo do 2029., a tvrtka kontinuirano radi na demonstraciji logičkih kubita i smanjenju pogrešaka, umjesto da pokušava oboriti rekorde u broju kubita thequantuminsider.com. (Googleovi trenutačni uređaji, poput 72-kubitnog Bristlecone ili novijih verzija 53-kubitnog Sycamore, imaju znatno manje kubita od IBM-ovih, ali Google je nedavno pokazao da povećanje broja fizičkih kubita u logičkom kubitu može smanjiti stopu pogreške, što je obećavajući korak prema skalabilnosti thequantuminsider.com.) U javnim izjavama, Googleovo vodstvo predviđa vremenski okvir od 5 do 10 godina za početak stvarnog utjecaja kvantnog računalstva thequantuminsider.com. Dakle, dok IBM juri prema prototipu s 4.000 kubita, Google igra na duge staze kako bi postigao potpuno kvantno računalo otporno na pogreške, čak i ako će u bliskoj budućnosti imati samo desetke kubita.
Quantinuum (tvrtka nastala spajanjem Honeywella i Cambridge Quantum) još je jedan teškaš, ali slijedi drugačiji tehnološki put: kvite uhvaćene u ionima. Quantinuum ne juri odmah za tisućama fizičkih kubita – njihov najnoviji sustav s ionskom zamkom ima oko 50–100 kubita visoke vjernosti – ali su demonstrirali rekordni kvantni volumen (mjeru ukupnih sposobnosti) i čak stvorili 12 “logičkih” kubita putem ispravljanja pogrešaka 2024. godine thequantuminsider.com. Quantinuumova mapa puta cilja na potpuno otporno kvantno računalo do 2030. godine, a tvrtka naglašava postizanje “tri devetke” vjernosti (99,9% pouzdanosti) i proboje u logičkim kubitima kao ključne korake thequantuminsider.com. Njihov izvršni direktor, Rajeeb Hazra, tvrdi da će kvaliteta i napredak u ispravljanju pogrešaka otključati “tržište vrijedno bilijun dolara” za kvantnu tehnologiju, te tvrdi da Quantinuum ima “najvjerodostojniju mapu puta u industriji prema… kvantnom računalstvu otpornom na pogreške” thequantuminsider.com. Ukratko, Quantinuumov fokus je usavršiti kubite i ispravljanje pogrešaka, čak i ako to znači manje kubita za sada – za razliku od IBM-ove velike oklade na povećanje broja kubita i rješavanje šuma kroz ublažavanje.
Još jedan ključni konkurent, IonQ, također koristi tehnologiju zarobljenih iona i jednako tako naglašava kvalitetu kubita. Vodstvo IonQ-a često ističe “algoritamske kubite” – interni pokazatelj koji uzima u obzir stope pogrešaka i povezivost – umjesto samog broja fizičkih kubita thequantuminsider.com. IonQ-ova razvojna mapa cilja na “širu kvantnu prednost do 2025.”, ali kroz stalno poboljšavanje performansi svojih kubita i izgradnju modularnih, u rack smještenih sustava s ionskim zamkama, a ne postizanjem određenog visokog broja kubita thequantuminsider.com. Zapravo, IonQ predviđa da će im trebati samo nekoliko desetaka visokokvalitetnih kubita da nadmaše mnogo veća bučna kvantna računala u određenim zadacima. Bivši izvršni direktor Peter Chapman predvidio je da će IonQ-ova tehnologija “biti ključna za komercijalnu kvantnu prednost,” posebno naglašavajući algoritamske kubite umjesto fizičkog broja kao ključ korisnih primjena thequantuminsider.com. Ova filozofija naglašava raspravu u području: je li kvantno računalstvo “igra brojeva” (više kubita brže) ili “igra kvalitete” (bolji kubiti čak i ako se sporije skaliraju)? IBM gura brojke (s naglaskom i na kvalitetu), dok je IonQ čvrsto u taboru kvalitete na prvom mjestu.
Tu je zatim i Rigetti Computing, manji igrač sa supravodljivim kubitima. Rigettijeva razvojna mapa suočila se s kašnjenjima – nadali su se doseći 1.000 kubita putem višestrukih čip modula do 2024., ali u praksi njihovi sustavi još uvijek imaju desetke kubita. Od sredine 2025., Rigetti cilja na skromniji sustav s više od 100 kubita do kraja 2025. thequantuminsider.com, usredotočujući se na poboljšanje vjernosti i performansi dvokubitnih vrata. Tvrtka se mučila držati korak s brzim skaliranjem IBM-a, što ilustrira koliko je izazovno novim igračima parirati IBM-ovim resursima i stručnosti na ovom području. Ipak, Rigetti i drugi doprinose inovacijama (na primjer, Rigetti je bio pionir nekih ranih tehnika integracije više čipova), i naglašavaju da IBM-ova prednost nije nedostižna ako se pojave temeljni proboji (poput boljih dizajna kubita ili materijala).
Također vrijedi spomenuti D-Wave Systems u ovom kontekstu. D-Wave, kanadska tvrtka, danas ima kvantne annealing strojeve (drugačiji model kvantnog računalstva) s više od 5.000 kubita thequantuminsider.com. Međutim, D-Waveovi kubiti dizajnirani su za rješavanje optimizacijskih problema putem annealinga, a ne za opće kvantne algoritme. Visok broj kubita postižu specijaliziranom arhitekturom, ali ti kubiti ne mogu izvoditi proizvoljne kvantne sklopove kao što to mogu IBM-ovi ili Googleovi uređaji. D-Waveov izvršni direktor, Alan Baratz, istaknuo je da njihova tehnologija već donosi vrijednost u određenim primjenama (poput optimizacije rasporeda u maloprodaji ili rutiranja u telekomunikacijama) thequantuminsider.com. Postojanje D-Wave sustava s 5.000 kubita podsjetnik je da nisu svi kubiti jednaki – D-Waveovi kubiti korisni su za specifične zadatke, ali se ne mogu izravno uspoređivati s kubitima kvantnih računala temeljenih na logičkim vratima. IBM-ov cilj od 4.000+ kubita odnosi se na univerzalne, gate-based kubite, što je znatno zahtjevnije u smislu složenosti i mogućnosti.U sažetku, IBM se ističe agresivnim skaliranjem hardvera s supervodljivim kubitima i ciljem integracije s klasičnim računalstvom u kratkom roku. Google se fokusira na prekretnice u korekciji pogrešaka, Quantinuum i IonQ na vjernost kubita (s manje kubita u skoroj budućnosti), a tvrtke poput Rigettija zaostaju s manjim uređajima. Svaki pristup ima svoje prednosti. Ako IBM uspije, postavit će visoku ljestvicu u broju kubita i možda ranije postići kvantnu prednost u korisnim zadacima. No, ako su kubiti previše bučni, tih 4.000 kubita možda neće nadmašiti 100 izvrsnih kubita konkurencije. Sljedećih nekoliko godina bit će fascinantna utrka između različitih filozofija u kvantnom računalstvu – i nije sigurno da više kubita uvijek pobjeđuje, osim ako nisu upareni s kvalitetom i pametnim softverom.
Zašto 4.000 kubita? Potencijalne primjene i izazovi
Što bi zapravo mogao učiniti kvantni računalnik s 4.000 kubita, ako radi kako je zamišljeno? Za kontekst, današnja kvantna računala (s desecima ili niskim stotinama kubita) još uvijek nisu jasno nadmašila klasična računala u bilo kojem praktičnom problemu. IBM i drugi vjeruju da ćemo ulaskom u tisuće kubita ući u zonu gdje korisna kvantna prednost postaje moguća za određene klase problema tomorrowdesk.com. Evo nekoliko primjena i utjecaja koje bi sustav s 4.000 kubita mogao omogućiti:
- Kemija i znanost o materijalima: Kvantna računala posebno su prikladna za simulaciju molekularnih i atomskih sustava. Čak se i najveća klasična superračunala muče s točnim modeliranjem ponašanja složenih molekula i kemijskih reakcija. Istraživači iz IBM-a ističu da “malo će područja tako brzo dobiti vrijednost od kvantnog računalstva kao kemija,” jer kvantna računala mogu izvorno obrađivati kvantnu prirodu kemijskih interakcija ibm.com. Sustav s 4.000 kubita mogao bi potencijalno simulirati molekule srednje veličine ili nove materijale s visokom točnošću – pomažući otkrivanju lijekova, razvoju novih materijala (za baterije, gnojiva, supravodiče itd.) i razumijevanju složenih kemijskih procesa. To su problemi kod kojih klasične metode nailaze na zid zbog eksponencijalne složenosti. Do 2025. IBM predviđa da će kvantna računala početi istraživati korisne primjene u prirodnim znanostima poput kemije ibm.com.
- Optimizacija i financije: Mnogi stvarni problemi – od logistike opskrbnog lanca do optimizacije portfelja – uključuju pronalaženje najboljeg rješenja među astronomski mnogo mogućnosti. Kvantna računala, s algoritmima poput QAOA ili tehnikama kvantnog kaljenja, nude nove načine za rješavanje određenih optimizacijskih problema. Stroj s tisućama kubita mogao bi obrađivati veće instance problema ili pružiti preciznija rješenja od trenutnih uređaja. Izvršni direktor IBM-a Arvind Krishna sugerirao je da će kvantno računalstvo omogućiti nove algoritme za optimizaciju koje tvrtke mogu iskoristiti, potencijalno postajući ključna prednost za industrije poput financija, energetike i proizvodnje thequantuminsider.com. Sustav s 4.000 kubita mogao bi, primjerice, rješavati složene probleme analize rizika ili optimizacije ruta koje klasični algoritmi ne mogu riješiti u razumnom vremenu.
- Strojno učenje i umjetna inteligencija: Sve je više istraživanja o kvantnom strojnome učenju, gdje bi kvantna računala mogla ubrzati određene vrste zadataka strojnog učenja ili ponuditi nove mogućnosti modeliranja. S tisućama kubita, kvantna računala mogla bi početi implementirati modele kvantnih neuronskih mreža ili izvoditi brže podrutine linearne algebre koje su temelj ML algoritama. IBM posebno promatra strojno učenje kao testni slučaj za kvantne primjene – očekujući da će do 2025. kvantna računala biti korištena za istraživanje primjena strojnog učenja uz klasično ML, moguće poboljšavajući način na koji prepoznajemo obrasce u podacima ili optimiziramo ML modele ibm.com. Praktičan primjer mogao bi biti kvantno poboljšan odabir značajki ili klasteriranje na složenim skupovima podataka, što bi moglo biti ubrzano kvantnim podrutinama.
- Znanstvena istraživanja i “Veliki izazovi”: Osim ciljanih industrija, kvantno superračunalo s 4.000 kubita bilo bi od velike koristi za temeljnu znanost. Moglo bi se koristiti za simulaciju scenarija visokoenergetske fizike, optimizaciju dizajna kvantnih materijala ili čak za istraživanje pitanja iz kriptografije i matematike. IBM je spomenuo prirodne znanosti u širem smislu – na primjer, problemi iz fizike ili biologije koji su trenutno nerješivi mogli bi popustiti pred hibridnim kvantnim pristupom ibm.com. Zamislite dizajniranje katalizatora za hvatanje ugljika ili analizu kvantnih sustava u nuklearnoj fizici – to su izuzetno složeni proračuni gdje bi kvantno računalo moglo pružiti nove uvide. IBM-ovi vlastiti istraživači ukazali su na primjene u kemiji, optimizaciji i strojnom učenju kao rane ciljeve za kvantnu prednost ibm.com.
To je sjajno obećanje – ali što je s izazovima? Kvantno računalo s 4.000 kubita suočit će se s ozbiljnim preprekama:
- Šum i stope pogrešaka: Današnji kubiti su skloni pogreškama; dekoheriraju (gube svoje kvantno stanje) unutar nekoliko mikrosekundi, a operacije (“vrata”) između kubita nisu savršene. Samo s 50-100 kubita, kvantni algoritmi mogu izvesti vrlo kratak niz operacija prije nego što pogreške preplave rezultat. Ako imate tisuće kubita, izazov šuma se množi. Zapravo, povezivanje tri čipa (kako IBM planira) moglo bi uvesti još više pogrešaka zbog nešto sporijih, manje pouzdanih operacija između čipova ibm.com. IBM to priznaje i razvija softver za System Two tako da bude “svjestan” arhitekture – na primjer, da raspoređuje ključne operacije na isti čip i pažljivo upravlja sporijim međučipovskim operacijama ibm.com. Bez korekcije pogrešaka (koja neće biti u potpunosti implementirana do 2025.), IBM će se osloniti na ublažavanje pogrešaka: pametne trikove za smanjenje utjecaja pogrešaka. To uključuje tehnike poput vjerojatnosnog poništavanja pogrešaka, gdje namjerno uvodite dodatni šum kako biste naučili više o šumu, a zatim klasično postprocesirate rezultate kako biste poništili pogreške spectrum.ieee.org. Ove metode su računalno zahtjevne i nisu savršene, ali IBM-ova istraživanja sugeriraju da se neke mogu skalirati na uređaje ove veličine spectrum.ieee.org. Ipak, upravljanje šumom je središnje pitanje – to je razlog zašto kvantna računala još nisu riješila probleme iz stvarnog svijeta, a stroj s 4.000 kubita uspjet će samo ako IBM uspije dovoljno kontrolirati pogreške za izvođenje dubokih proračuna.
- Ispravljanje pogrešaka i logički kubiti: Dugoročno rješenje za šum je kvantno ispravljanje pogrešaka (QEC), koje će grupirati mnogo fizičkih kubita u jedan logički kubit koji može preživjeti pogreške. IBM-ov sustav s 4.000 kubita vjerojatno će još uvijek raditi u “NISQ” režimu (Noisy Intermediate-Scale Quantum), što znači da još nema velikog ispravljanja pogrešaka – jednostavno neće biti dovoljno kubita za potpuno ispravljanje pogrešaka na svih 4.000. (Za usporedbu, pretvaranje čak i nekoliko tisuća fizičkih kubita u nekoliko logičkih kubita moglo bi potrošiti cijeli stroj.) Ipak, IBM postavlja temelje za ispravljanje pogrešaka. Tvrtka aktivno istražuje nove QEC kodove (na primjer, kvantni LDPC kod koji je učinkovitiji u korištenju kubita od tradicionalnih površinskih kodova) i brze dekodere pogrešaka thequantuminsider.com. Zapravo, IBM je nedavno produžio svoj plan razvoja do 2033, izričito dajući prednost poboljšanjima u kvaliteti vrata i razvoju modula s ispravljenim pogreškama nakon 2025. godine newsroom.ibm.com. Superračunalo s 4.000 kubita može se promatrati kao most: zamišljeno je da bude dovoljno veliko za obavljanje nekih korisnih zadataka s ublažavanjem pogrešaka, dok IBM-u omogućuje učenje kako implementirati djelomično ispravljanje pogrešaka u velikom opsegu. IBM je čak najavio plan za prototip kvantnog računala otpornog na pogreške do 2029. godine hpcwire.com, što ukazuje da je ispravljanje pogrešaka itekako na njihovom dnevnom redu nakon što se postigne prag od 4.000 kubita. Ipak, postizanje potpuno ispravljenih (logičkih) kubita zahtijevat će višestruko više kubita ili znatno bolju vjernost kubita – vjerojatno kombinaciju oboje.
- Softver i alati za programere: Čak i ako imate kvantno računalo s 4.000 kubita, potreban vam je softver koji ga može učinkovito koristiti. Kvantni algoritmi moraju biti mapirani na ovaj složeni višestruki čip hardver. IBM to rješava alatima poput Qiskit Runtime i Quantum Serverless arhitekture. Oni omogućuju korisniku da podijeli problem na manje kvantne sklopove, pokrene ih paralelno na različitim kvantnim čipovima i spoji rezultate klasičnom obradom ibm.com. Na primjer, “circuit knitting” je jedna od tehnika koju IBM ističe – dijeljenje velikog sklopa na dijelove koji stanu na manje procesore, a zatim klasično ponovno kombiniranje rezultata ibm.com. Do 2025. IBM planira imati značajke poput dinamičkih sklopova (gdje rezultati mjerenja mogu utjecati na buduće operacije u stvarnom vremenu) i ugrađeno suzbijanje pogrešaka na svojoj cloud platformi ibm.com. Izazov će biti učiniti sve to prijateljskim za programere. IBM želi da kvantno računarstvo bude dostupno tako da data znanstvenici i stručnjaci za domenu (ne samo kvantni doktori znanosti) mogu iskoristiti tih 4.000 kubita ibm.com. Postizanje dobre apstrakcije – gdje korisnik može, primjerice, pozvati funkciju višeg nivoa za simulaciju molekule, a sustav sam odredi kako rasporediti 4.000 kubita za to – bit će ključno za praktičnu korisnost. IBM-ov pristup ovdje je koncept kvantnog middlewarea i “app storea” kvantnih primitiva: unaprijed izgrađenih funkcija za uobičajene zadatke poput uzorkovanja raspodjela vjerojatnosti ili procjene svojstava sustava ibm.com. Ako uspiju, kemičar 2025. možda neće morati znati detalje hardvera; mogao bi jednostavno koristiti IBM-ov softver za pristup snazi od 4.000 kubita za svoju simulaciju.
- Fizička infrastruktura: Skaliranje na tisuće kubita nije samo računalni izazov, već i inženjerski maraton. Kvantni procesori moraju se hladiti na milikelvinske temperature – hladnije od svemira. IBM je morao dizajnirati novi rashladni uređaj s razrjeđivačem (IBM Quantum System Two) koji je veći i modularniji od prethodnih kako bi mogao smjestiti više čipova i svu njihovu upravljačku žičanu infrastrukturu techmonitor.ai. Hladnjak, elektronika i kabliranje postaju sve složeniji kako dodajete kubite. Tisuće kubita znače tisuće mikrovalnih upravljačkih linija, sofisticirano filtriranje kako bi se spriječilo propuštanje topline i šuma do kubita, te ogromni protoci podataka iz očitanja kubita. IBM-ovi inženjeri uspoređuju složenost skaliranja kvantnih sustava sa složenošću ranih superračunala ili svemirskih misija. Do 2025. IBM očekuje da će “ukloniti glavne prepreke na putu skaliranja” putem modularnog hardvera i prateće upravljačke elektronike ibm.com – ali vrijedi napomenuti da IBM tek sada nailazi na te prepreke. System Two u New Yorku je u biti prototip za upravljanje takvom složenošću newsroom.ibm.com. IBM također instalira System Two u Europi (u partnerstvu s baskijskom vladom u Španjolskoj) do 2025. godine tomorrowdesk.com, što će testirati može li se ova najsuvremenija infrastruktura replicirati izvan IBM-ovog vlastitog laboratorija. Uspjeh ovih implementacija bit će važan dokaz da se cjevovodi i ožičenje kvantnog superračunala mogu učiniti pouzdanim i održivim.
S obzirom na ove izazove, stručnjaci ublažavaju hype napominjući da će IBM-ov stroj s 4.000 kubita vjerojatno biti vrlo specijaliziran alat. Možda će nadmašiti klasična superračunala u specifičnim problemima (simulacije kvantne kemije, određene optimizacije ili zadaci strojnog učenja, kako je spomenuto), postižući kvantnu prednost ili čak naznake kvantne nadmoći u korisnim kontekstima. Međutim, to neće odmah učiniti klasična računala zastarjelima. Zapravo, za mnoge zadatke klasična superračunala i GPU-ovi i dalje će biti brži ili praktičniji. IBM-ova vlastita razvojna mapa priznaje ovu sinergiju: kvantno superračunalo namijenjeno je radu s klasičnim HPC-om, pri čemu svaki radi ono u čemu je najbolji tomorrowdesk.com. Stoga bismo 4.000-kubitni sustav trebali promatrati kao jedan od prvih pravih “kvantnih akceleratora” – nešto što biste koristili uz klasično računalstvo za rješavanje onih zaista teških problema koje klasične mašine same ne mogu riješiti. To je značajan korak prema krajnjem snu o kvantnom računanju otpornom na greške, ali nije konačno odredište.
Put naprijed: IBM-ova kvantna razvojna mapa nakon 2025. godine
IBM-ovo superračunalo s više od 4.000 kubita predstavlja važnu prekretnicu, ali je dio dugoročnog plana razvoja koji se proteže do 2030-ih. IBM je javno izjavio da će do 2025., s ovim kvantno-centričnim superračunalom, “ukloniti neke od najvećih prepreka za skaliranje kvantnog hardvera” ibm.com. No, razvoj tu neće stati. Od 2025. nadalje, IBM-ov će se fokus sve više preusmjeravati na skaliranje uz kvalitetu – poboljšanje vjernosti kubita, korekciju pogrešaka i složenost sklopova koji se mogu izvoditi.
Zapravo, krajem 2023. IBM je ažurirao svoju Quantum Development Roadmap sve do 2033. Jedan od ključnih ciljeva: oko 2026.–2027. uvesti kvantne operacije s korekcijom pogrešaka na svojim sustavima, krećući prema “naprednim sustavima s korekcijom pogrešaka” kasnije tijekom desetljeća newsroom.ibm.com. IBM daje prednost poboljšanjima vjernosti vrata (smanjenju stope pogrešaka) kako bi veći kvantni sklopovi (s tisućama operacija) postali izvedivi newsroom.ibm.com. To sugerira da će nakon postizanja cilja broja kubita, IBM udvostručiti napore na poboljšanju svakog kubita i postupnom uvođenju korekcije pogrešaka. Konkretan primjer je IBM-ov rad na novim kodovima za korekciju pogrešaka poput Quantum LDPC kodova i bržim algoritmima dekodiranja, koji imaju za cilj učinkovitije rješavanje pogrešaka od današnjih surface kodova thequantuminsider.com. Također se spominje IBM-ov procesor kodnog imena “Loon” oko 2025., namijenjen testiranju komponenti arhitekture s korekcijom pogrešaka (poput modula za povezivanje kubita za određeni QEC kod) hpcwire.com. Do 2029. IBM teži izgraditi demonstrabilni prototip kvantnog računala otpornog na pogreške, usklađujući se s konkurentima poput Googlea u tom krajnjem ciljuhpcwire.com.
Na hardverskoj strani, IBM će vjerojatno nastaviti svoju seriju procesora s nazivima po pticama i nakon Kookaburre. Planovi nakon 2025. još nisu u potpunosti javni, ali IBM je nagovijestio istraživanje još većih višestrukih čip sustava i možda hibridnih tehnologija. Na primjer, IBM-ova vizija kvantno-centričnog superračunala na kraju uključuje kvantne komunikacijske veze koje mogu povezivati klastere čipova na udaljenosti, ne samo u istom hladnjaku newsroom.ibm.com. Možda ćemo vidjeti da IBM ugrađuje optičke vlaknaste međuspojnice ili druge metode za povezivanje kvantnih procesora u različitim kriostatima – slično kvantnoj lokalnoj mreži. To bi omogućilo desetke tisuća ili čak milijune kubita na duge staze, za što IBM priznaje da će biti potrebno za rješavanje najtežih problema (i provođenje potpune korekcije pogrešaka) newsroom.ibm.com, insidehpc.com. IBM vlastitim riječima navodi da bi njihov modularni i umreženi pristup trebao omogućiti skaliranje na “stotine tisuća kubita” tijekom vremena newsroom.ibm.com. Sustav s 4.000 kubita zapravo je prva implementacija arhitekture kvantnog superračunala koja se može proširivati povezivanjem više modula.Širi IBM-ov plan uključuje i razvoj kvantnog ekosustava. Tvrtka ulaže u obrazovanje, partnerstva i pristup putem oblaka kako bi, kad hardver bude spreman, postojala zajednica spremna za korištenje. Na primjer, IBM je surađivao s nacionalnim laboratorijima, sveučilištima, pa čak i regionalnim vladama (kao što su Japan, Koreja, Njemačka i Španjolska) na postavljanju kvantnih sustava i poticanju lokalnog razvoja. Plan za implementaciju prvog IBM Quantum System Two u Europi u Španjolskoj do 2025. godine tomorrowdesk.com dio je te strategije – omogućiti što većem broju ljudi rad s naprednim kvantnim hardverom. IBM-ovo vodstvo predviđa da će kvantno računarstvo postati ključna poslovna prednost u nadolazećim godinama thequantuminsider.com, a oni žele biti u središtu te nove kvantne ekonomije.
Zaključno, IBM-ov projekt kvantnog superračunala s više od 4.000 kubita predstavlja povijesni iskorak u razmjerima kvantnog računalstva. Ako uspije, označit će prijelaz s izoliranih, eksperimentalnih kvantnih procesora na umrežene kvantne sustave koji se približavaju pragu praktične korisnosti. Ovaj pothvat nalazi se na sjecištu najnaprednije fizike, inženjerstva i računalnih znanosti. To je jednako softverski kao i hardverski pothvat, koji zahtijeva nove načine upravljanja i programiranja potpuno nove vrste superračunala. Svijet pomno prati – ne samo zbog rekordnog broja kubita, već i zbog toga može li IBM pokazati korisne rezultate s ovim strojem koji nadmašuju mogućnosti klasičnih računala.
Sredina 2025. zatiče IBM na pragu ovog postignuća: dizajn hardvera je uglavnom dovršen, početni prototipovi rade, a tvrtka se utrkuje kako bi sve integrirala u funkcionalno superračunalo. Uspjeh nije zajamčen, ali zamaha i napretka do sada ne nedostaje. Čak bi se i konkurenti i skeptici složili da je IBM dramatično pogurao područje naprijed. Dok iščekujemo punu premijeru IBM-ovog kvantnog superračunala, jedno je jasno – ulazimo u novo poglavlje računalne sage. Kako je i sam IBM proglasio, nadolazeće kvantno-centrično superračunalo spremno je postati “ključna tehnologija za one koji rješavaju najteže probleme, one koji provode najrevolucionarnija istraživanja i one koji razvijaju najnapredniju tehnologiju” insidehpc.com.
Sljedećih nekoliko godina pokazat će hoće li to obećanje biti ispunjeno, ali ako se IBM-ova oklada isplati, 4.000 kubita bi doista moglo zauvijek promijeniti računalstvo – otvarajući vrata rješenjima za probleme za koje smo nekad mislili da su nemogući i najavljujući zoru ere kvantnog računalstva.
Izvori:
- 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 predstavlja kvantno superračunalo koje bi do 2025. moglo doseći 4.000 kubita techmonitor.ai
- IEEE Spectrum: IBM-ov cilj: procesor s 4.000 kubita do 2025. (analiza plana razvoja i izazova) spectrum.ieee.org
- InsideHPC: IBM na Think 2022 – vizija kvantno-centričnog superračunalstva insidehpc.com
- The Quantum Insider: Planovi razvoja kvantnog računalstva glavnih aktera (IBM, Google, IonQ, itd.) thequantuminsider.com
- TomorrowDesk: Pregled IBM-ovog cilja kvantnog superračunala do 2025. i modularnog dizajna tomorrowdesk.com
- Post-Quantum (industrijski blog): O broju kubita potrebnih za razbijanje RSA-2048 enkripcije postquantum.com
- TechMonitor: Citati dr. Daría Gila iz IBM-a i statistika IBM Quantum Networka techmonitor.ai
