- IBM načrtuje kvantni superračunalnik z več kot 4.000 kubiti do leta 2025, ki ga bodo dosegli z medsebojnim povezovanjem treh čipov Kookaburra s 1.386 kubiti v sistem s 4.158 kubiti.
- Modularna platforma Quantum System Two, predstavljena leta 2023, je zasnovana za gostovanje več čipov in vključuje kriogeni hladilnik ter napredno krmilno elektroniko.
- Ob koncu leta 2023 je IBM zagnal prvi Quantum System Two, ki je vzporedno poganjal tri procesorje Heron s 133 kubiti.
- Do konca leta 2025 namerava IBM na System Two gostiti tri čipe Kookaburra in tako ustvariti en sam stroj s 4.158 kubiti.
- IBM uporablja kratkosežne spojke med čipi in kriogene povezave za povezovanje čipov v enotno računsko strukturo.
- Podjetje ta pristop imenuje kvantno-centrično superračunalništvo, kjer prepleta QPU-je s CPU-ji in GPU-ji v enotno računsko strukturo.
- Qiskit Runtime in “circuit knitting” omogočata razvijalcem izvajanje velikih kvantnih delovnih obremenitev prek več čipov z vgrajenim blaženjem napak.
- Sistem z več kot 4.000 kubiti bo leta 2025 deloval v NISQ režimu in se zanašal na blaženje napak namesto na popolno kvantno korekcijo napak.
- Strokovnjaki ocenjujejo, da bi za razbitje RSA-2048 potrebovali približno 4.000 logičnih kubitov s korekcijo napak, kar bi verjetno pomenilo milijone fizičnih kubitov.
- Med konkurenti so Google, ki cilja na kvantno računalništvo z odpornostjo na napake do leta 2029, IonQ, ki razvija algoritmične kubite, Quantinuum, ki se osredotoča na visoko zvestobo in odpornost na napake, ter D-Wave, ki ponuja anelirni sistem z več kot 5.000 kubiti.
IBM je na pragu preboja v kvantnem računalništvu: “kvantni superračunalnik” z več kot 4.000 kubiti do leta 2025. Ambiciozni načrt tehnološkega velikana – del širše kvantne strategije – obeta revolucijo v računalništvu z reševanjem problemov, ki jih današnji najhitrejši superračunalniki ne zmorejo. V tem poročilu bomo razčlenili IBM-ovo kvantno pot, zasnovo njihovega sistema z več kot 4.000 kubiti, strokovna mnenja (in navdušenje), primerjavo s tekmeci, kot sta Google in IonQ, ter kaj bi lahko pomenil stroj s 4.000 kubiti za svet.
Ozadje: IBM-ova pot v kvantno računalništvo
IBM je pionir na področju kvantnega računalništva, vodilni tako pri razvoju strojne kot programske opreme. Že leta 2020 je IBM predstavil kvantni načrt in od takrat dosegel vse zastavljene mejnike. Leta 2021 so predstavili 127-kubitni procesor Eagle – čip, ki je tako kompleksen, da njegovi vezji “ni mogoče zanesljivo natančno simulirati na klasičnem računalniku” insidehpc.com. Leta 2022 je IBM predstavil čip Osprey s 433 kubiti, kar je velik napredek v primerjavi z Eagleom po številu kubitov techmonitor.ai. Najnovejši dosežek je IBM dosegel konec leta 2023, ko je z procesorjem Condor dosegel 1.121 kubitov – prvi kvantni procesor, ki je presegel mejo tisoč kubitovtomorrowdesk.com. Vsak od teh napredkov je bil ključen temelj za skaliranje na tisoče kubitov.
Toda IBM-ova strategija ni le v tem, da bi dodajali več kubitov. Podjetje poudarja celovit pristop: robustna kvantna strojna oprema, inteligentna kvantna programska oprema in širok ekosistem uporabnikov in partnerjev newsroom.ibm.com, insidehpc.com. Leta 2016 je IBM prvič omogočil javno uporabo kvantnega računalnika v oblaku, danes pa je več kot 200 organizacij in 450.000 uporabnikov povezanih z IBM-ovimi kvantnimi storitvami prek oblaka techmonitor.ai. IBM-ov programski okvir (Qiskit) in okolje Qiskit Runtime razvijalcem omogočata učinkovito izvajanje kvantnih programov z vgrajenimi orodji za zmanjševanje napak in usklajevanje hibridnih kvantno-klasičnih delovnih obremenitev newsroom.ibm.com, insidehpc.com. Ta tesna integracija strojne in programske opreme – skupaj z mrežo akademskih in industrijskih sodelavcev – je v središču širšega IBM-ovega cilja: pripeljati uporabno kvantno računalništvo v svet, ne le laboratorijskih demonstracij.
IBM to vizijo rad imenuje »kvantno-centrično superračunalništvo«. Ideja je, da bi sčasoma prepletli kvantne procesorje (QPU-je) s klasičnimi CPU-ji in GPU-ji v brezhibno računalniško tkanino insidehpc.com. Tako kot sodobni superračunalniki združujejo CPU-je in AI pospeševalnike za obdelavo AI delovnih obremenitev, IBM vidi prihodnje superračunalnike kot kombinacijo kvantnih in klasičnih pogonov za reševanje problemov, ki jih noben sam ne bi mogel rešiti insidehpc.com. Z besedami dr. Jaya Gambette, podpredsednika IBM za kvantno področje: »Zdaj IBM uvaja dobo kvantno-centričnega superračunalnika, kjer bodo kvantni viri – QPU-ji – prepleteni s CPU-ji in GPU-ji v računsko tkanino«, namenjeno reševanju »najzahtevnejših problemov« v znanosti in industriji insidehpc.com. To je drzna vizija, ki presega zgolj izdelavo hitrejšega računalnika; gre za spreminjanje same narave računalništva.
Načrtovanje kvantnega superračunalnika z več kot 4.000 kubiti
Kako zgraditi kvantni računalnik z več kot 4.000 kubiti? IBM-ov odgovor: modularnost. Namesto enega ogromnega čipa IBM povezuje več manjših kvantnih čipov v en sistem – podobno kot povezovanje vozlišč v superračunalniku. Podjetje je svojo naslednjo generacijo platforme poimenovalo IBM Quantum System Two, ki je posebej zasnovana za to. Predstavljen leta 2023, je System Two IBM-ov prvi modularni kvantni računalniški sistem, ki vključuje najsodobnejši kriogeni hladilnik in nadzorno elektroniko, ki lahko hkrati podpira več kvantnih procesorjev techmonitor.ai, newsroom.ibm.com. To je fizična “hiša”, ki bo gostila prihajajočo floto IBM-ovih povezanih čipov, vsi ohlajeni skoraj do absolutne ničle. S kombiniranjem čipov lahko IBM hitro poveča število kubitov brez potrebe po izdelavi nemogoče velikih posameznih čipov – pristop, ki je ključen za preskok iz stotin na tisoče kubitov.
Slika: IBM-ova vizija kvantnega superračunalnika je povezati več kvantnih čipov v en sistem. Leta 2025 IBM načrtuje predstavitev “Kookaburra”, procesorja s 1.386 kubiti in kvantnimi komunikacijskimi povezavami; trije čipi Kookaburra se lahko povežejo v en sam sistem s 4.158 kubiti ibm.com. Ta modularna arhitektura omogoča IBM-u, da število kubitov poveča na tisoče z povezovanjem manjših procesorjev namesto da bi se zanašal na en ogromen čip.
Jedro IBM-ovega načrta za 4.000 kubitov je prihajajoča družina procesorjev z ptičjimi kodnimi imeni. Leta 2024 naj bi IBM predstavil “Flamingo”, čip s 462 kubiti, zasnovan za preizkušanje kvantne komunikacije med čipi ibm.com. IBM namerava prikazati zasnovo Flaminga tako, da bo povezal tri procesorje Flamingo v en sistem s 1.386 kubiti – s tem bo v bistvu pokazal, da lahko več čipov deluje skupaj, kot da bi bili en sam ibm.com. Nato sledi veliki korak: leta 2025 bo IBM predstavil “Kookaburra”, procesor s 1.386 kubiti, zasnovan za modularno razširjanje ibm.com. Zaradi vgrajenih komunikacijskih povezav se lahko trije čipi Kookaburra povežejo v eno napravo s 4.158 kubiti ibm.com. Po besedah IBM bo to prvi kvantno-centrični superračunalnik, ki bo presegel mejnik 4.000 kubitov.Kako pa ta arhitektura pravzaprav izgleda? V bistvu IBM uporablja kratkosežne povezovalnike med čipi in kriogene povezave za povezovanje kubitov med različnimi čipi spectrum.ieee.org. Predstavljajte si vsak čip kot “ploščico” kubitov; povezovalniki omogočajo sosednjim ploščicam izmenjavo kvantnih informacij, posebni mikrovalovni kabli pa lahko povežejo čipe, ki so nekoliko bolj narazen spectrum.ieee.org. Izziv je, da se kubiti na ločenih čipih obnašajo skoraj tako, kot da so na istem čipu – kar ni enostavno, saj so kvantna stanja zelo krhka. IBM razvija novo tehnologijo povezovalnikov, ki ohranja koherenco prepletenih kubitov med čipi tomorrowdesk.com. System Two zagotavlja izjemno hladen, brezvibracijski prostor in prilagodljivo ožičenje za podporo tem veččipovskim omrežjem techmonitor.ai. Vse to usklajuje “inteligentna” kontrolna plast (programska oprema in klasično računalništvo), ki usmerja kvantne operacije med različnimi čipi in jih povezuje v usklajeno delovanje insidehpc.com.
IBM-ov časovni načrt predvideva, da bo sistem z več kot 4.000 kubiti operativen nekje v letu 2025 techmonitor.ai. Pravzaprav so prvi deli že postavljeni. Konec leta 2023 je IBM na Quantum Summitu zagnal prvi Quantum System Two, ki je vzporedno poganjal tri manjše 133-kubitne procesorje “Heron” newsroom.ibm.com. To je služilo kot prototip: Heron je čip z razmeroma malo kubiti, a z bistveno izboljšano stopnjo napak, IBM pa je s System Two pokazal, da lahko več procesorjev deluje skupaj kot enoten sistem newsroom.ibm.com. V naslednjem letu ali dveh bo IBM to še povečal – zamenjal bo večje čipe (kot sta Flamingo in nato Kookaburra) in jih povezal še več. Cilj je, da bo do konca leta 2025 IBM Quantum System Two gostil tri čipe Kookaburra in tako >4.000 povezanih kubitov v eni napravi techmonitor.ai. Če pogledamo še dlje, IBM celo predvideva povezovanje več sistemov System Two: na primer, povezava treh takih sistemov bi lahko v prihodnosti ustvarila grozd z več kot 16.000 kubiti techmonitor.ai. Z drugimi besedami, 4.000 kubitov ni končni cilj – to je prelomnica na poti do še večjih kvantnih strojev, zgrajenih z mreženjem modulov, podobno kot klasični superračunalniki rastejo z več vozlišči.
IBM-ova vizija: vpogledi vodilnih na področju kvantne tehnologije
IBM-jeva kvantna ekipa je razumljivo navdušena – in samozavestna – glede pomena tega preskoka na 4.000 kubitov. Direktor raziskav pri IBM, dr. Darío Gil, je pogosto govoril o doseganju nove ere praktičnega kvantnega računalništva. »Uresničevanje naše vizije nam je omogočilo jasen vpogled v prihodnost kvantnega računalništva in v to, kaj bo potrebno, da dosežemo obdobje praktičnega kvantnega računalništva,« je povedal Gil, ko je IBM razširil svoj načrt razvoja newsroom.ibm.com. S ciljem 4.000+ kubitov na obzorju je to opisal kot začetek »ere kvantno-centričnih superračunalnikov, ki bodo odprli velika in zmogljiva računska okolja« za razvijalce, partnerje in stranke newsroom.ibm.com. Z drugimi besedami, IBM to vidi kot začetek kvantnih računalnikov, ki niso več le laboratorijski eksperimenti, temveč zmogljiva orodja za uporabo v resničnem svetu.
Jay Gambetta, IBM Fellow in podpredsednik za kvantno področje, je leto 2023 označil za pomembno prelomnico – trenutek, ko je koncept kvantno-centričnega superračunalnika postal resničnost v obliki prototipa techmonitor.ai. Po Gambettovih besedah zgolj večje število kubitov ni dovolj; »kvantno-centrično superračunalništvo bo zahtevalo več kot le veliko kubitov«, je pojasnil – potrebna je tudi večja globina vezij in tesna integracija s klasičnimi sistemi techmonitor.ai. To odraža IBM-ov poudarek na kakovosti kubitov in brezhibnem združevanju kvantnega in klasičnega računalništva. »Naše poslanstvo je prinesti uporabno kvantno računalništvo svetu,« je dejal Gambetta. »Še naprej bomo zagotavljali najboljšo celovito kvantno ponudbo v industriji — in na industriji je, da te sisteme uporabi« techmonitor.ai. Sporočilo: IBM bo zagotovil strojno in programsko opremo, od podjetij in raziskovalcev pa pričakujejo, da bodo z njo začeli ustvarjati pomembne rezultate.
Na vrhu Quantum Summit 2023 je IBM-ova ekipa izrazila optimističen ton glede zrelosti tehnologije. »Trdno smo v obdobju, ko se kvantni računalniki uporabljajo kot orodje za raziskovanje novih meja znanosti,« je pripomnil dr. Darío Gil in poudaril, da kvantni stroji niso več le zanimivosti newsroom.ibm.com. Izpostavil je IBM-ov napredek pri skaliranju teh sistemov z modularnim dizajnom in obljubil, da bodo »še dodatno povečali kakovost kvantnega tehnološkega sklada na ravni uporabnosti – in ga dali v roke našim uporabnikom in partnerjem, ki bodo premikali meje bolj zapletenih problemov« newsroom.ibm.com. V bistvu, ko IBM povečuje število kubitov, hkrati delajo na tem, da izboljšajo zvestobo kubitov in »pamet« programske opreme, tako da bodo lahko tisoči kubitov dejansko opravili koristno delo pri zapletenih problemih.
IBM uporablja celo živahno metaforo za prihajajočo spremembo. Podjetje primerja prehod iz današnjih začetnih kvantnih računalnikov na kvantni superračunalnik leta 2025 s »zamenjavo papirnatih zemljevidov s sateliti GPS« pri navigaciji ibm.com. To je slikovita podoba: kvantni superračunalniki bi nas lahko vodili skozi računske probleme na povsem nov način, tako kot je GPS revolucioniral naš način iskanja poti. Ali bo resničnost dosegla IBM-ov optimizem, bo še treba videti, a nedvomno je, da najboljši IBM-ovi strokovnjaki verjamejo, da so na pragu nečesa velikega.
Kaj pravijo strokovnjaki: Hype in preverjanje realnosti
IBM-ova napoved o 4.000 kubitih je povzročila veliko vznemirjenja, vendar zunanji strokovnjaki nas pogosto opominjajo, naj ostanemo prizemljeni v pričakovanjih. Ena ključnih točk, ki jih izpostavljajo: večje število kubitov samo po sebi ne zagotavlja uporabnih rezultatov. Današnji kvantni biti so »hrupni« – nagnjeni so k napakam – zato zgolj povezovanje tisočev nepopolnih kubitov ne reši čudežno problemov, če ti kubiti ne morejo ohranjati koherence. IEEE Spectrum je poudaril, da bo moral IBM-ov načrt spremljati »inteligentna programska plast«, ki bo upravljala napake in usklajevala hibridno kvantno-klasično delovno obremenitev spectrum.ieee.org. Pravzaprav je lahko zmogljiv nov programski sklad »ključ do kakršnekoli uporabnosti« s procesorjem s 4.000 kubiti, saj omogoča ublažitev napak in razdelitev nalog med kvantno strojno opremo in klasične soprocesorje spectrum.ieee.org. Skratka, surovo število kubitov ni vse – način, kako jih uporabljate in nadzorujete, je prav tako ključen.
Nekateri opazovalci industrije prav tako izpostavljajo vrzel med fizičnimi kubiti in logičnimi kubiti. Logični kubit je kubit s popravki napak, v bistvu skupek mnogih fizičnih kubitov, ki skupaj delujejo kot en zelo zanesljiv kubit. Strokovnjaki ocenjujejo, da bi za razbitje sodobnega šifriranja (kot so 2048-bitni RSA ključi, ki varujejo spletno varnost) potrebovali približno 4.000 logičnih kubitov s popravki napak – kar bi v praksi lahko pomenilo milijone fizičnih kubitov glede na trenutne stroške popravkov napak postquantum.com. Kot je dejal en varnostni analitik, “4.000 logičnih kubitov ni enako kot 4.000 dejanskih kubitov” – popolnoma popravljena kvantna računalniška naprava s tisoči logičnih kubitov je še vedno oddaljene sanje postquantum.com. IBM-ov stroj z več kot 4.000 kubiti bo zelo daleč od tega idealnega, odpornega na napake; sestavljali ga bodo fizični kubiti, ki bodo za uporabnost potrebovali pametne tehnike ublažitve napak. Raziskovalci hitro opozarjajo, da od te naprave ne smemo pričakovati, da bo, na primer, razbila internetno šifriranje ali čez noč rešila vse nerešljive probleme.Kljub temu pa IBM-ova agresivna časovnica podjetje postavlja pred številne konkurente v tekmi za surovo število kubitov, nekateri strokovnjaki pa modularni pristop hvalijo kot pragmatičen način za širitev. “Verjamemo, da lahko klasični viri resnično izboljšajo, kaj lahko dosežete s kvantnim računalništvom, in izkoristite največ iz te kvantne zmogljivosti,” je poudaril Blake Johnson, vodja IBM Quantum Platform, in izpostavil potrebo po usklajevanju med kvantnim in klasičnim računalništvom za izkoriščanje teh velikih sistemov spectrum.ieee.org. To mnenje je široko razširjeno: prihodnost je “kvantno-plus-klasično”, ki deluje v tandemu.
Tekmovalne vizije: IBM proti Googlu, IonQ in drugim
IBM ni edini v kvantni tekmi, vendar se njegova strategija razlikuje od drugih velikih igralcev. Google se na primer manj osredotoča na kratkoročno število kubitov in bolj na dosego popolnoma napake popravljajočega kvantnega računalnika. Googlov načrt predvideva, da bo do 2029 razvil uporaben, napake popravljajoč kvantni stroj, podjetje pa vztrajno dela na prikazu logičnih kubitov in zmanjševanju napak, namesto da bi poskušalo podirati rekorde v številu kubitov thequantuminsider.com. (Googlovi trenutni napravi, kot sta 72-kubitni Bristlecone ali novejše različice 53-kubitnega Sycamore, imata precej manj kubitov kot IBM-ove, vendar je Google nedavno pokazal, da lahko povečanje števila fizičnih kubitov v logičnem kubitu zmanjša stopnjo napak, kar je obetaven korak k razširljivosti thequantuminsider.com.) V javnih izjavah Googlovo vodstvo napoveduje, da bo kvantno računalništvo začelo imeti resničen vpliv v 5–10 letih thequantuminsider.com. Tako medtem ko IBM hiti proti prototipu s 4.000 kubiti, Google igra na dolgi rok, da doseže popolnoma napake odporno kvantno računalništvo, tudi če bo imel v bližnji prihodnosti le nekaj deset kubitov.
Quantinuum (podjetje, ki sta ga ustanovila Honeywell in Cambridge Quantum) je še en težkokategornik, vendar sledi drugačni tehnološki poti: ionsko ujeti kubiti. Quantinuum ne lovi tisočev fizičnih kubitov takoj – njihov najnovejši ionski sistem ima približno 50–100 visokozanesljivih kubitov – vendar so leta 2024 demonstrirali rekordno kvantno prostornino (merilo splošnih zmogljivosti) in celo ustvarili 12 “logičnih” kubitov z odpravljanjem napak thequantuminsider.com. Načrt Quantinuuma cilja na popolnoma napake odporno kvantno računalništvo do leta 2030, podjetje pa poudarja doseganje “treh devetic” zanesljivosti (99,9% zanesljivost) in preboje pri logičnih kubitih kot ključne mejnike thequantuminsider.com. Njihov izvršni direktor, Rajeeb Hazra, trdi, da bosta kakovost in napredek pri odpravljanju napak odklenila “trilijonski trg” za kvantno tehnologijo, in trdi, da ima Quantinuum “najbolj verodostojen načrt v industriji za… napake odporno kvantno računalništvo” thequantuminsider.com. Skratka, Quantinuum se osredotoča na izpopolnjevanje kubitov in odpravljanje napak, tudi če to pomeni manj kubitov za zdaj – v nasprotju z IBM-ovo veliko stavo na širitev in obvladovanje šuma z ublažitvijo.
Drug konkurent, IonQ, prav tako uporablja tehnologijo ujetih ionov in prav tako poudarja kakovost kubitov. Vodstvo IonQ pogosto izpostavlja »algoritmične kubite« – notranjo metriko, ki upošteva stopnje napak in povezljivost – namesto zgolj števila fizičnih kubitov thequantuminsider.com. Načrt IonQ cilja na »široko kvantno prednost do leta 2025«, vendar z nenehnim izboljševanjem zmogljivosti svojih kubitov in gradnjo modularnih, v regal vgrajenih sistemov z ionskimi pastmi, ne pa z doseganjem določenega visokega števila kubitov thequantuminsider.com. Pravzaprav IonQ predvideva, da bo potreboval le nekaj deset visokokakovostnih kubitov, da bo na določenih nalogah presegel veliko večje hrupne kvantne računalnike. Nekdanji izvršni direktor Peter Chapman je napovedal, da bo tehnologija IonQ »ključna za komercialno kvantno prednost«, pri čemer je posebej poudaril algoritmične kubite pred fizičnim številom kot ključ do uporabnih aplikacij thequantuminsider.com. Ta filozofija poudarja razpravo na tem področju: ali je kvantno računalništvo »igra številk« (več kubitov hitreje) ali »igra kakovosti« (boljši kubiti, četudi počasneje rastejo)? IBM stavi na številke (ob upoštevanju kakovosti), medtem ko je IonQ trdno na strani kakovosti.
Potem je tu še Rigetti Computing, manjši igralec s superprevodnimi kubiti. Načrt Rigetti je doživel zamude – upali so, da bodo dosegli 1.000 kubitov z veččipovskimi moduli do leta 2024, a v praksi so njihovi sistemi še vedno pri nekaj deset kubitih. Sredi leta 2025 Rigetti cilja na bolj skromen sistem s 100+ kubiti do konca 2025 thequantuminsider.com, pri čemer se osredotočajo na izboljšanje zvestobe in zmogljivosti dvo-kubitnih vrat. Podjetje se je trudilo dohajati hitro rast IBM-a, kar kaže, kako zahtevno je za novince ujeti IBM-ove vire in strokovno znanje na tem področju. Kljub temu Rigetti in drugi prispevajo k inovacijam (na primer, Rigetti je bil pionir nekaterih zgodnjih tehnik veččipovske integracije) in poudarjajo, da IBM-ova prednost ni nedosegljiva, če pride do temeljnih prebojev (kot so boljše zasnove kubitov ali materiali).
V tem kontekstu velja omeniti tudi D-Wave Systems. D-Wave, kanadsko podjetje, ima kvantne stroje za žarjenje (drugačen model kvantnega računalništva) z več kot 5.000 kubiti danes thequantuminsider.com. Vendar pa so D-Waveovi kubiti zasnovani za reševanje optimizacijskih problemov preko žarjenja, ne pa za splošne kvantne algoritme. Visoko število kubitov dosegajo s specializirano arhitekturo, vendar ti kubiti ne morejo izvajati poljubnih kvantnih vezij kot naprave IBM-a ali Googla. D-Waveov izvršni direktor, Alan Baratz, je poudaril, da njihova tehnologija že prinaša vrednost v določenih aplikacijah (kot so optimizacija urnikov v trgovini na drobno ali usmerjanje v telekomunikacijah) thequantuminsider.com. Obstoj D-Wave sistema s 5.000 kubiti je opomnik, da niso vsi kubiti enaki – D-Waveovi kubiti so uporabni za specifične naloge, vendar jih ni mogoče neposredno primerjati s kubiti kvantnih računalnikov na osnovi vrat. IBM-ov cilj več kot 4.000 kubitov se nanaša na univerzalne, na vratih temelječe kubite, kar je precej zahtevnejša naloga glede na kompleksnost in zmogljivost.
Povzetek: IBM izstopa z agresivnim povečevanjem strojne opreme s superprevodnimi kubiti in ciljem, da jih v kratkem času integrira s klasičnim računalništvom. Google se osredotoča na mejnike pri odpravljanju napak, Quantinuum in IonQ na zvestobo kubitov (s trenutno manjšim številom kubitov), podjetja kot Rigetti pa zaostajajo z manjšimi napravami. Vsak pristop ima svoje prednosti. Če bo IBM uspel, bo postavil visoko letvico pri številu kubitov in morda prej dosegel kvantno prednost pri uporabnih nalogah. Če pa bodo kubiti preveč šumni, teh 4.000 kubitov morda ne bo preseglo 100 odličnih kubitov konkurenta. Naslednjih nekaj let bo fascinantna dirka med različnimi filozofijami v kvantnem računalništvu – in ni nujno, da več kubitov vedno zmaga, razen če so združeni s kakovostjo in pametno programsko opremo.
Zakaj 4.000 kubitov? Potencialne aplikacije in izzivi
Kaj bi kvantni računalnik s 4.000 kubiti dejansko lahko naredil, če bi deloval po pričakovanjih? Za primerjavo: današnji kvantni računalniki (z nekaj deset ali sto kubiti) še niso jasno presegli klasičnih računalnikov pri kateremkoli praktičnem problemu. IBM in drugi verjamejo, da bomo s prebojem v tisoče kubitov vstopili v območje, kjer uporabna kvantna prednost postane mogoča za določene razrede problemov tomorrowdesk.com. Tukaj je nekaj aplikacij in vplivov, ki bi jih lahko omogočil sistem s 4.000 kubiti:
- Kemija in znanost o materialih: Kvantni računalniki so še posebej primerni za simulacijo molekularnih in atomskih sistemov. Tudi največji klasični superračunalniki se težko natančno spopadajo z modeliranjem obnašanja kompleksnih molekul in kemijskih reakcij. Raziskovalci IBM poudarjajo, da »le malo področij bo tako hitro pridobilo vrednost iz kvantnega računalništva kot kemija,« saj lahko kvantni stroji naravno obravnavajo kvantno naravo kemijskih interakcij ibm.com. Sistem s 4.000 kubiti bi lahko potencialno simuliral srednje velike molekule ali nove materiale z visoko natančnostjo – kar bi pomagalo pri odkrivanju zdravil, razvoju novih materialov (za baterije, gnojila, superprevodnike itd.) in razumevanju kompleksnih kemijskih procesov. To so problemi, kjer klasične metode naletijo na zid zaradi eksponentne kompleksnosti. IBM pričakuje, da bodo kvantni računalniki do leta 2025 začeli raziskovati uporabne aplikacije v naravoslovnih znanostih, kot je kemija ibm.com.
- Optimizacija in finance: Številni resnični problemi – od logistike dobavne verige do optimizacije portfelja – vključujejo iskanje najboljše rešitve med astronomsko številnimi možnostmi. Kvantni računalniki z algoritmi, kot sta QAOA ali kvantne anelacijske tehnike, ponujajo nove načine za reševanje določenih optimizacijskih problemov. Naprava s tisoči kubitov bi lahko obravnavala večje primere problemov ali zagotovila natančnejše rešitve kot trenutne naprave. Generalni direktor IBM Arvind Krishna je predlagal, da bo kvantno računalništvo omogočilo nove algoritme za optimizacijo, ki jih bodo podjetja lahko izkoristila, kar bi lahko postalo ključna konkurenčna prednost za industrije, kot so finance, energetika in proizvodnja thequantuminsider.com. Sistem s 4.000 kubiti bi lahko na primer reševal kompleksne probleme analize tveganja ali optimizacije poti, ki jih klasični algoritmi ne morejo rešiti v razumnem času.
- Strojno učenje in umetna inteligenca: Narašča raziskovanje kvantnega strojnega učenja, kjer bi kvantni računalniki lahko pospešili določene vrste nalog strojnega učenja ali ponudili nove zmožnosti modeliranja. S tisoči kubitov bi kvantni računalniki lahko začeli izvajati modele kvantnih nevronskih mrež ali hitreje izvajali linearno algebro, ki je osnova algoritmov strojnega učenja. IBM posebej obravnava strojno učenje kot testni primer za kvantne aplikacije – pričakujejo, da bodo do leta 2025 kvantni računalniki uporabljeni za raziskovanje primerov uporabe strojnega učenja skupaj s klasičnim ML, kar bi lahko izboljšalo prepoznavanje vzorcev v podatkih ali optimizacijo ML modelov ibm.com. Praktičen primer bi lahko bila kvantno izboljšana izbira značilk ali gručenje na kompleksnih podatkovnih nizih, kar bi lahko pospešili kvantni podprogrami.
- Znanstvene raziskave in »veliki izzivi«: Poleg ciljno usmerjenih industrij bi bil kvantni superračunalnik s 4.000 kubiti velika pridobitev za temeljno znanost. Uporabljal bi se lahko za simulacijo scenarijev visokoenergijske fizike, optimizacijo zasnov kvantnih materialov ali celo za raziskovanje vprašanj v kriptografiji in matematiki. IBM je omenil naravoslovne vede na splošno – na primer, problemi v fiziki ali biologiji, ki so trenutno nerešljivi, bi se morda lahko rešili s hibridnim kvantnim pristopom ibm.com. Pomislite na načrtovanje katalizatorjev za zajemanje ogljika ali analizo kvantnih sistemov v jedrski fiziki – to so izjemno zapleteni izračuni, kjer bi kvantni računalnik lahko ponudil nove vpoglede. IBM-jevi raziskovalci so kot zgodnje cilje za kvantno prednost izpostavili uporabo v kemiji, optimizaciji in strojnem učenju ibm.com.
To je bleščeča obljuba – a kaj pa izzivi? Kvantni računalnik s 4.000 kubiti se bo soočil z resnimi ovirami:
- Šum in stopnje napak: Današnji kubiti so nagnjeni k napakam; dekoherirajo (izgubijo svoje kvantno stanje) v nekaj mikrosekundah, operacije (“vrata”) med kubiti pa niso popolne. Pri le 50–100 kubitih lahko kvantni algoritmi izvedejo le zelo kratek niz operacij, preden napake prevladajo nad rezultatom. Če imate tisoče kubitov, se izziv šuma množi. Pravzaprav lahko povezovanje treh čipov (kot načrtuje IBM) povzroči še več napak zaradi nekoliko počasnejših, manj zanesljivih operacij med čipi ibm.com. IBM se tega zaveda in razvija programsko opremo za System Two, ki bo »zavedna« arhitekture – na primer, da bo kritične operacije razporedila na isti čip in previdno upravljala počasnejše medčipovske operacije ibm.com. Brez korekcije napak (ki do leta 2025 še ne bo v celoti vzpostavljena) se bo IBM zanašal na blaženje napak: pametne trike za zmanjšanje vpliva napak. To vključuje tehnike, kot je verjetnostna odprava napak, kjer namerno vnesete dodatni šum, da se o njem nekaj naučite, nato pa rezultate klasično obdelate, da izničite napake spectrum.ieee.org. Te metode so računsko zahtevne in niso popolne, a IBM-jeve raziskave kažejo, da se nekatere lahko razširijo na naprave te velikosti spectrum.ieee.org. Kljub temu je obvladovanje šuma osrednje vprašanje – to je razlog, da kvantni računalniki še niso rešili resničnih problemov, in stroj s 4.000 kubiti bo uspešen le, če bo IBM uspel dovolj omejiti napake za izvajanje zahtevnih izračunov.
- Popravljanje napak in logični kubiti: Dolgoročna rešitev za šum je kvantno popravljanje napak (QEC), ki bo združilo veliko fizičnih kubitov v en logični kubit, ki lahko preživi napake. IBM-ov 4.000-kubitni sistem bo verjetno še vedno deloval v “NISQ” režimu (Noisy Intermediate-Scale Quantum), kar pomeni, da še ne bo velikega popravljanja napak – preprosto ne bo dovolj kubitov, da bi v celoti popravili napake vseh 4.000. (Za predstavo: pretvorba že nekaj tisoč fizičnih kubitov v nekaj logičnih kubitov bi lahko porabila celoten stroj.) Vendar pa IBM postavlja temelje za popravljanje napak. Podjetje aktivno raziskuje nove QEC kode (na primer kvantno LDPC kodo, ki je bolj učinkovita z vidika kubitov kot tradicionalne površinske kode) in hitre dekoderje napak thequantuminsider.com. Pravzaprav je IBM pred kratkim podaljšal svoj načrt do 2033, pri čemer je izrecno dal prednost izboljšavam kakovosti vrat in razvoju modulov s popravljenimi napakami po letu 2025 newsroom.ibm.com. 4.000-kubitni superračunalnik lahko vidimo kot most: namenjen je temu, da je dovolj velik za izvajanje nekaterih uporabnih stvari z blaženjem napak, hkrati pa IBM-u omogoča učenje, kako izvajati delno popravljanje napak v velikem obsegu. IBM je celo napovedal načrt za prototip kvantnega računalnika, odpornega na napake, do leta 2029 hpcwire.com, kar kaže, da je popravljanje napak zelo visoko na njihovem seznamu prioritet, ko dosežejo mejnik 4.000 kubitov. Kljub temu bo za dosego popolnoma popravljenih (logičnih) kubitov potrebnih več velikostnih razredov več kubitov ali precej boljša zvestoba kubitov – verjetno kombinacija obojega.
- Programska oprema in orodja za razvijalce: Tudi če imate kvantni stroj s 4.000 kubiti, potrebujete programsko opremo, ki ga lahko učinkovito izkoristi. Kvantne algoritme je treba preslikati na to kompleksno več-čipno strojno opremo. IBM se tega loteva z orodji, kot sta Qiskit Runtime in Quantum Serverless arhitektura. Ta omogočata uporabniku, da problem razdeli na manjše kvantne tokokroge, jih poganja vzporedno na različnih kvantnih čipih in rezultate združi s klasično obdelavo ibm.com. Na primer, “circuit knitting” je ena od tehnik, ki jih IBM izpostavlja – razdelitev velikega tokokroga na dele, ki ustrezajo manjšim procesorjem, nato pa klasično ponovno združevanje rezultatov ibm.com. Do leta 2025 IBM načrtuje funkcije, kot so dinamični tokokrogi (kjer lahko rezultati meritev vplivajo na prihodnje operacije v realnem času) in vgrajeno zatiranje napak, ki bodo delovale na njihovi oblačni platformi ibm.com. Izziv bo narediti vse to prijazno do razvijalcev. IBM želi, da bi bil kvantni računalnik dostopen tako, da bi ga lahko uporabljali podatkovni znanstveniki in strokovnjaki za posamezna področja (ne le doktorji kvantne fizike), ki bi lahko izkoristili teh 4.000 kubitov ibm.com. Doseganje dobre abstrakcije – kjer lahko uporabnik na primer pokliče visokonivojsko funkcijo za simulacijo molekule, sistem pa sam ugotovi, kako uporabiti 4.000 kubitov za to nalogo – bo ključno za praktično uporabnost. IBM-ov pristop tukaj je koncept kvantnega vmesnega sloja in “trgovine z aplikacijami” kvantnih primitivov: vnaprej pripravljene funkcije za pogoste naloge, kot so vzorčenje porazdelitev verjetnosti ali ocenjevanje lastnosti sistemov ibm.com. Če bo to uspešno, kemiku leta 2025 morda ne bo treba poznati podrobnosti strojne opreme; preprosto bi lahko uporabil IBM-ovo programsko opremo za izkoriščanje moči 4.000 kubitov za svojo simulacijo.
- Fizična infrastruktura: Povečevanje na tisoče kubitov ni le računski izziv, temveč inženirski maraton. Kvantne procesorje je treba ohladiti na milikelvinske temperature – hladneje kot v vesolju. IBM je moral zasnovati nov razredčevalni hladilnik (IBM Quantum System Two), ki je večji in bolj modularen kot prejšnji, da lahko sprejme več čipov in vso njihovo kontrolno ožičenje techmonitor.ai. Hladilnik, elektronika in kabli postajajo vse bolj zapleteni, ko dodajate kubite. Tisoči kubitov pomenijo tisoče mikrovalovnih kontrolnih linij, sofisticirano filtriranje za preprečevanje uhajanja toplote in šuma do kubitov ter ogromne tokove podatkov iz odčitkov kubitov. Inženirji IBM so primerjali kompleksnost povečevanja kvantnih sistemov s kompleksnostjo zgodnjih superračunalnikov ali vesoljskih misij. Do leta 2025 IBM pričakuje, da bo »odstranil glavne ovire na poti povečevanja« z modularno strojno opremo in spremljajočo kontrolno elektroniko ibm.com – vendar je vredno omeniti, da IBM šele zdaj dosega te meje. System Two v New Yorku je v bistvu prototip za upravljanje takšne kompleksnosti newsroom.ibm.com. IBM namešča System Two tudi v Evropi (v partnerstvu z baskovsko vlado v Španiji) do leta 2025 tomorrowdesk.com, kar bo preizkusilo, ali je to najsodobnejšo infrastrukturo mogoče ponoviti zunaj IBM-ovega lastnega laboratorija. Uspeh teh namestitev bo pomemben dokaz, da je mogoče vodovod in ožičenje kvantnega superračunalnika narediti zanesljivo in vzdrževalno.
Glede na te izzive strokovnjaki umirjajo navdušenje z opozorilom, da bo IBM-ov 4.000-kubitni stroj verjetno zelo specializirano orodje. Morda bo presegel klasične superračunalnike pri določenih problemih (kvantne kemijske simulacije, določene optimizacije ali naloge strojnega učenja, kot je omenjeno), dosegel kvantno prednost ali celo utrinke kvantne nadvlade v uporabnih kontekstih. Vendar pa ne bo takoj naredil klasičnih računalnikov zastarelih. Pravzaprav bodo za številne naloge klasični superračunalniki in GPU-ji še vedno hitrejši ali bolj praktični. IBM-ova lastna časovnica priznava to sinergijo: kvantni superračunalnik je namenjen delu z klasičnim HPC, vsak pri tem, kar najbolje zna tomorrowdesk.com. Zato bi morali 4.000-kubitni sistem videti kot enega prvih pravih »kvantnih pospeševalnikov« – nekaj, kar bi uporabljali skupaj s klasičnim računalništvom za reševanje tistih res težkih problemov, ki jih klasične naprave same ne morejo razbiti. To je pomemben korak proti končnemu cilju odpornega kvantnega računalništva, vendar ni končna destinacija.
Pot naprej: IBM-ova kvantna časovnica po letu 2025
IBM-ov superračunalnik z več kot 4.000 kubiti je pomemben mejnik, vendar je del daljšega načrta razvoja, ki sega v trideseta leta tega stoletja. IBM je javno izjavil, da bodo do leta 2025, ko bo ta kvantno-centrični superračunalnik vzpostavljen, »odstranili nekatere največje ovire pri nadgrajevanju kvantne strojne opreme« ibm.com. A razvoj se tu ne bo ustavil. Leta 2025 in kasneje se bo IBM-ov poudarek vse bolj premikal k povečevanju kakovosti – izboljševanju zvestobe kubitov, korekciji napak in kompleksnosti vezij, ki jih je mogoče poganjati.
Dejansko je IBM konec leta 2023 posodobil svoj načrt razvoja kvantnih tehnologij vse do 2033. Eden ključnih ciljev: okoli leta 2026–2027 uvesti kvantne operacije s korekcijo napak na svojih sistemih in se kasneje v desetletju približati »naprednim sistemom s korekcijo napak« newsroom.ibm.com. IBM daje prednost izboljšavam v zvestobi vrat (zniževanju stopenj napak), tako da bodo mogoča večja kvantna vezja (s tisoči operacij) newsroom.ibm.com. To nakazuje, da bo IBM po doseženem mejniku števila kubitov še bolj vlagal v izboljšanje vsakega kubita in postopno uvajanje korekcije napak. Konkreten primer je IBM-ovo delo na novih kodah za korekcijo napak, kot so kvantne LDPC kode in hitrejši algoritmi za dekodiranje, ki naj bi napake obvladovali učinkoviteje kot današnje površinske kode thequantuminsider.com. Govori se tudi o IBM-ovem procesorju s kodnim imenom »Loon« okoli leta 2025, ki naj bi preizkušal komponente arhitekture s korekcijo napak (na primer module za povezovanje kubitov za določeno QEC kodo) hpcwire.com. Do leta 2029 si IBM prizadeva zgraditi demonstrativni prototip kvantnega računalnika, odpornega na napake, s čimer se bo približal končnemu cilju konkurentov, kot je Googlehpcwire.com.
Na področju strojne opreme bo IBM verjetno nadaljeval svojo serijo procesorjev z imeni ptic tudi po Kookaburri. Načrt po letu 2025 še ni v celoti javen, vendar je IBM namignil na raziskovanje še večjih več-čipovskih sistemov in morda hibridnih tehnologij. Na primer, IBM-ova vizija kvantno-centričnega superračunalnika na koncu vključuje kvantne komunikacijske povezave, ki lahko povežejo gruče čipov na daljavo, ne le v istem hladilniku newsroom.ibm.com. Morda bomo videli, da bo IBM vgradil optične povezave ali druge metode za povezovanje kvantnih procesorjev v različnih kriostatih – podobno kot kvantno lokalno omrežje. To bi dolgoročno omogočilo desettisoče ali celo milijone kubitov, za kar IBM priznava, da bo potrebno za reševanje najtežjih problemov (in izvajanje popolne korekcije napak) newsroom.ibm.com, insidehpc.com. Po besedah IBM naj bi njihov modularni in omrežni pristop omogočil skaliranje do “stotisočev kubitov” skozi čas newsroom.ibm.com. Sistem s 4.000 kubiti je pravzaprav prva uresničitev arhitekture kvantnega superračunalnika, ki se lahko širi z dodajanjem več modulov.Širši načrt IBM vključuje tudi razvoj kvantnega ekosistema. Podjetje vlaga v izobraževanje, partnerstva in dostopnost v oblaku, tako da bo ob pripravljenosti strojne opreme pripravljena tudi skupnost uporabnikov. Na primer, IBM je sodeloval z nacionalnimi laboratoriji, univerzami in celo regionalnimi vladami (kot so Japonska, Koreja, Nemčija in Španija), da bi gostili kvantne sisteme in spodbudili lokalni razvoj. Načrt za uvedbo prvega evropskega sistema IBM Quantum System Two v Španiji do leta 2025 tomorrowdesk.com je del te strategije – omogočiti več ljudem praktičen stik z napredno kvantno strojno opremo. Vodstvo IBM napoveduje, da bo kvantno računalništvo postalo ključna poslovna prednost v prihodnjih letih thequantuminsider.com, in želijo biti v središču nastajajočega kvantnega gospodarstva.
Za zaključek, IBM-jev projekt kvantnega superračunalnika z več kot 4.000 kubiti predstavlja zgodovinski preskok v obsegu kvantnega računalništva. Če bo uspešen, bo pomenil prehod od izoliranih, eksperimentalnih kvantnih procesorjev do povezanih kvantnih sistemov, ki se približujejo pragu praktične uporabnosti. Ta podvig se nahaja na stičišču najsodobnejše fizike, inženirstva in računalništva. To je prav toliko programski kot strojni dosežek, saj zahteva nove načine upravljanja in programiranja povsem nove vrste superračunalnika. Svet pozorno spremlja – ne le zaradi rekordnega števila kubitov, temveč tudi zato, ali lahko IBM s to napravo pokaže uporabne rezultate, ki presegajo zmogljivosti klasičnih računalnikov.
Sredi leta 2025 je IBM na pragu tega dosežka: zasnova strojne opreme je v veliki meri določena, začetni prototipi delujejo, podjetje pa se mudi, da bi vse integriralo v funkcionalen superračunalnik. Uspeh ni zagotovljen, a zagon in napredek do zdaj sta nesporna. Tudi konkurenti in skeptiki bi se strinjali, da je IBM področje močno potisnil naprej. Medtem ko čakamo na popolno predstavitev IBM-ovega kvantnega superračunalnika, je eno jasno – vstopamo v novo poglavje računalniške zgodbe. Kot je sam IBM napovedal, naj bi prihajajoči kvantno-centrični superračunalnik postal »ključna tehnologija za tiste, ki rešujejo najtežje probleme, izvajajo najbolj prelomne raziskave in razvijajo najbolj napredno tehnologijo« insidehpc.com.
Naslednjih nekaj let bo pokazalo, ali se bo ta obljuba uresničila, a če bo IBM-ova stava uspela, bi lahko 4.000 kubitov res za vedno spremenilo računalništvo – odprlo vrata rešitvam za probleme, za katere smo nekoč mislili, da so nemogoči, in naznanilo zoro dobe kvantnega računalništva.
Viri:
- 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 kvantni superračunalnik, ki bi lahko do leta 2025 dosegel 4.000 kubitov techmonitor.ai
- IEEE Spectrum: IBM-jev cilj: procesor s 4.000 kubiti do leta 2025 (analiza časovnice in izzivov) spectrum.ieee.org
- InsideHPC: IBM na Think 2022 – vizija kvantno-centričnega superračunalništva insidehpc.com
- The Quantum Insider: Časovnice kvantnega računalništva glavnih akterjev (IBM, Google, IonQ, itd.) thequantuminsider.com
- TomorrowDesk: Pregled IBM-jevega cilja kvantnega superračunalnika do leta 2025 in modularne zasnove tomorrowdesk.com
- Post-Quantum (industrijski blog): O številu kubitov, potrebnih za razbitje RSA-2048 šifriranja postquantum.com
- TechMonitor: Izjave dr. Daría Gila iz IBM in statistika IBM Quantum Network techmonitor.ai
