IBM-ov kvantni superračunar sa 4.000 kubita mogao bi zauvek promeniti računarstvo

• IBM planira kvantni superkompjuter sa više od 4.000 kubita do 2025. godine, što će biti postignuto međusobnim povezivanjem tri Kookaburra čipa sa po 1.386 kubita u sistem od 4.158 kubita.
• Modularna platforma Quantum System Two, predstavljena 2023. godine, dizajnirana je za smeštaj više čipova i sadrži kriogeni frižider i naprednu upravljačku elektroniku.
• Krajem 2023. godine IBM je pokrenuo prvi Quantum System Two, koji paralelno koristi tri Heron procesora sa po 133 kubita.
• Do kraja 2025. IBM namerava da smesti tri Kookaburra čipa na System Two, stvarajući jednu mašinu sa 4.158 kubita.
• IBM koristi kratkodometne spojnice između čipova i kriogene veze za povezivanje čipova u jedinstvenu računarsku strukturu.
• Kompanija ovaj pristup naziva kvantno-centričnim superračunarstvom, u kojem se QPU-ovi, CPU-ovi i GPU-ovi prepliću u jedinstvenu računarsku strukturu.
• Qiskit Runtime i circuit knitting omogućavaju programerima da pokreću velike kvantne zadatke preko više čipova uz ugrađenu mitigaciju grešaka.
• Sistem sa više od 4.000 kubita radiće u NISQ režimu 2025. godine, oslanjajući se na mitigaciju grešaka umesto potpune kvantne korekcije grešaka.
• Stručnjaci procenjuju da bi za razbijanje RSA-2048 bilo potrebno oko 4.000 logičkih kubita sa korekcijom grešaka, što verovatno znači milione fizičkih kubita.
• Konkurenti uključuju Google, koji cilja na kvantno računarstvo sa tolerancijom na greške do 2029. godine, IonQ koji razvija algoritamske kubite, Quantinuum koji se fokusira na visoku vernost i toleranciju na greške, i D-Wave koji nudi sistem za anilaciju sa više od 5.000 kubita.

IBM je na pragu proboja u kvantnom računarstvu: „kvantni superkompjuter” sa više od 4.000 kubita do 2025. godine. Ambiciozni plan tehnološkog giganta – deo šire kvantne strategije – obećava da će revolucionisati računarstvo rešavanjem problema koje današnji najbrži superkompjuteri ne mogu da obrade. U ovom izveštaju razložićemo IBM-ovo kvantno putovanje, dizajn njegovog sistema sa više od 4.000 kubita, uvide stručnjaka (i hajp), poređenje sa rivalima poput Google-a i IonQ-a, i šta bi mašina sa 4.000 kubita mogla da znači za svet.

Pozadina: IBM-ova potraga za kvantnim računarstvom

IBM je bio pionir u kvantnom računarstvu, predvodeći razvoj i hardvera i softvera. Još 2020. godine IBM je predstavio kvantnu mapu puta i od tada je ispunio svaku prekretnicu. Demonstrirali su procesor Eagle sa 127 kubita 2021. godine – čip toliko složen da se njegovi sklopovi „ne mogu pouzdano tačno simulirati na klasičnom računaru” insidehpc.com. Do 2022. godine, IBM je predstavio čip Osprey sa 433 kubita, što je veliki korak napred u odnosu na Eagle po broju kubita techmonitor.ai. Najnovije, krajem 2023. godine, IBM je dostigao 1.121 kubit sa svojim procesorom Condor – prvim kvantnim procesorom koji je probio granicu od hiljadu kubitatomorrowdesk.com. Svako od ovih dostignuća postavilo je ključne temelje za skaliranje na hiljade kubita.

Ali IBM-ova strategija nije samo u tome da dodaje više kubita. Kompanija naglašava pristup punog steka: robusni kvantni hardver, inteligentni kvantni softver i širok ekosistem korisnika i partnera newsroom.ibm.com, insidehpc.com. Godine 2016, IBM je postavio prvi kvantni računar na cloud za javnu upotrebu, a danas je više od 200 organizacija i 450.000 korisnika povezano na IBM-ove kvantne servise putem clouda techmonitor.ai. IBM-ov softverski okvir (Qiskit) i Qiskit Runtime okruženje omogućavaju programerima da efikasno pokreću kvantne programe, sa ugrađenim alatima za smanjenje grešaka i orkestraciju hibridnih kvantno-klasičnih radnih opterećenja newsroom.ibm.com, insidehpc.com. Ova čvrsta integracija hardvera i softvera – zajedno sa mrežom akademskih i industrijskih saradnika – ključna je za širi cilj IBM-a: dovođenje korisnog kvantnog računarstva u svet, a ne samo laboratorijske demonstracije.

IBM voli da ovu viziju naziva “kvantno-centrično superračunarstvo.” Ideja je da se na kraju kvantni procesori (QPU) isprepliću sa klasičnim CPU i GPU u besprekornoj računarskoj strukturi insidehpc.com. Kao što savremeni superračunari kombinuju CPU i AI akceleratore za obradu AI zadataka, IBM vidi buduće superračunare koji kombinuju kvantne i klasične motore kako bi rešavali probleme koje nijedan ne bi mogao samostalno da reši insidehpc.com. Rečima dr Džej Gambette, potpredsednika IBM-a za kvantno računarstvo, “Sada, IBM uvodi eru kvantno-centričnog superračunara, gde će kvantni resursi – QPU – biti isprepleteni sa CPU i GPU u računarsku strukturu”, sa ciljem rešavanja “najzahtevnijih problema” u nauci i industriji insidehpc.com. To je smela vizija koja prevazilazi samo pravljenje bržeg računara; radi se o promeni samog oblika računarstva.

Dizajniranje kvantnog superračunara sa više od 4.000 kubita

Kako napraviti kvantni računar sa više od 4.000 kubita? IBM-ov odgovor: modularnost. Umesto jednog ogromnog čipa, IBM povezuje više manjih kvantnih čipova u jedan sistem – slično kao povezivanje čvorova u superračunaru. Sledeća generacija IBM-ove platforme, nazvana IBM Quantum System Two, posebno je dizajnirana za to. Predstavljen 2023. godine, System Two je prvi IBM-ov modularni kvantni računarski sistem, sa najsavremenijim kriogenim frižiderom i upravljačkom elektronikom koja može istovremeno da podrži više kvantnih procesora techmonitor.ai, newsroom.ibm.com. To je fizička „kuća“ koja će ugostiti IBM-ovu buduću flotu povezanih čipova, sve rashlađene na skoro apsolutnu nulu. Kombinovanjem čipova, IBM može brzo povećati broj kubita bez potrebe za izradom nemoguće velikih pojedinačnih čipova – pristup koji je ključan za skok sa stotina na hiljade kubita.

Slika: IBM-ova vizija kvantnog superračunara je povezivanje više kvantnih čipova u jedan sistem. U 2025. godini, IBM planira da predstavi „Kookaburra“, procesor sa 1.386 kubita i kvantnim komunikacionim vezama; tri Kookaburra čipa mogu se povezati u jedan sistem sa 4.158 kubita ibm.com. Ova modularna arhitektura omogućava IBM-u da skalira na hiljade kubita umrežavanjem manjih procesora umesto da se oslanja na jedan ogroman čip.

Srce IBM-ovog plana za 4.000 kubita je njegova predstojeća porodica procesora sa ptičjim kodnim imenima. U 2024. godini, očekuje se da IBM predstavi „Flamingo“, čip sa 462 kubita dizajniran za testiranje kvantne komunikacije između čipova ibm.com. IBM planira da demonstrira dizajn Flaminga povezivanjem tri Flamingo procesora u jedan sistem sa 1.386 kubita – praktično pokazujući da više čipova može raditi zajedno kao jedan ibm.com. Zatim dolazi veliki: 2025. godine, IBM će predstaviti „Kookaburra“, procesor sa 1.386 kubita napravljen za modularno skaliranje ibm.com. Zahvaljujući ugrađenim komunikacionim vezama, tri Kookaburra čipa mogu se povezati u jednu mašinu sa 4.158 kubita ibm.com. Prema IBM-u, ovo će biti prvi kvantno-centrični superkompjuter, koji probija granicu od 4.000 kubita.

Kako izgleda ova arhitektura? Suštinski, IBM koristi spojnice za kratkosežnu vezu između čipova i kriogene veze za povezivanje kubita na različitim čipovima spectrum.ieee.org. Zamislite svaki čip kao „pločicu“ kubita; spojnice omogućavaju susednim pločicama da dele kvantne informacije, a specijalni mikrotalasni kablovi mogu povezivati čipove koji su malo udaljeniji spectrum.ieee.org. Izazov je da kubiti na odvojenim čipovima funkcionišu gotovo kao da su na istom čipu – što nije lako, jer su kvantna stanja krhka. IBM razvija novu tehnologiju spojnica kako bi održao koherenciju spregnutih kubita između čipova tomorrowdesk.com. System Two obezbeđuje ultra-hladno, bezvibraciono okruženje i fleksibilnu postavku ožičenja za ove mreže sa više čipova techmonitor.ai. Sve ovo orkestrira „inteligentni“ kontrolni sloj (softver i klasični računar) koji upravlja kvantnim operacijama na različitim čipovima, čineći da rade usklađeno insidehpc.com.

IBM-ova vremenska linija predviđa da će sistem sa više od 4.000 kubita biti operativan negde tokom 2025. godine techmonitor.ai. Zapravo, prvi delovi su već postavljeni. Krajem 2023. godine, na IBM Quantum Summit-u, IBM je pokrenuo prvi Quantum System Two, koristeći tri manja “Heron” procesora sa po 133 kubita u paralelnom radu newsroom.ibm.com. Ovo je služilo kao prototip: Heron je čip sa relativno malo kubita, ali sa značajno poboljšanim stopama grešaka, a IBM je koristio System Two da pokaže da može upravljati sa više procesora zajedno kao jednim sistemom newsroom.ibm.com. Tokom naredne jedne do dve godine, IBM će ovo proširivati – zamenjujući veće čipove (kao što su Flamingo, a zatim Kookaburra) i povezujući ih još više. Cilj je da do kraja 2025. godine, IBM Quantum System Two ugosti tri Kookaburra čipa i time više od 4.000 povezanih kubita u jednoj mašini techmonitor.ai. Gledajući još dalje u budućnost, IBM čak zamišlja povezivanje više System Two sistema: na primer, povezivanjem tri takva sistema mogao bi se dobiti klaster sa više od 16.000 kubita u budućnosti techmonitor.ai. Drugim rečima, 4.000 kubita nije krajnji cilj – to je prelazna faza ka još većim kvantnim mašinama koje se grade umrežavanjem modula, slično kao što se klasični superkompjuteri skaliraju sa 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. Direktor istraživanja u IBM-u, dr Darío Gil, često je govorio o dostizanju nove ere praktičnog kvantnog računarstva. „Sprovođenje naše vizije nam je omogućilo jasnu sliku budućnosti kvantnog računarstva i onoga što je potrebno da bismo stigli do ere praktičnog kvantnog računarstva“, rekao je Gil, dok je IBM proširivao svoju mapu puta newsroom.ibm.com. Sa ciljem od 4.000+ kubita na vidiku, on je to predstavio kao početak „ere kvantno-centričnih superračunara koji će otvoriti velike i moćne računarske prostore“ za programere, partnere i klijente newsroom.ibm.com. Drugim rečima, IBM ovo vidi kao zoru kvantnih računara koji nisu samo laboratorijski eksperimenti, već moćni alati za upotrebu u stvarnom svetu.

Jay Gambetta, IBM Fellow i potpredsednik za kvantno računarstvo, nazvao je 2023. godinu velikom prekretnicom – trenutkom kada je koncept kvantno-centričnog superračunara postao stvarnost u prototipskoj formi techmonitor.ai. Prema Gambetti, samo imati više kubita nije dovoljno; „kvantno-centrično superračunarstvo će zahtevati više od samog velikog broja kubita“, objasnio je – potrebna je i veća dubina kola i čvrsta integracija sa klasičnim sistemima techmonitor.ai. Ovo odražava IBM-ov naglasak na kvalitetu kubita i besprekorno spajanje kvantnog i klasičnog računarstva. „Naša misija je da donesemo korisno kvantno računarstvo svetu,“ rekao je Gambetta. „Nastavićemo da pružamo najbolju kvantnu ponudu u industriji – a na industriji je da te sisteme iskoristi“ techmonitor.ai. Poruka je: IBM će isporučiti hardver i softver, a oni očekuju da preduzeća i istraživači počnu da rade značajne stvari sa tim.

Na Quantum Summitu 2023, IBM-ov tim je zauzeo optimističan ton u vezi sa zrelošću tehnologije. „Čvrsto smo u eri u kojoj se kvantni računari koriste kao alat za istraživanje novih granica nauke,“ primetio je dr Darío Gil, ističući da kvantne mašine više nisu samo kurioziteti newsroom.ibm.com. On je naglasio IBM-ov napredak u skaliranju ovih sistema kroz modularni dizajn i obećao da će „dalje povećati kvalitet kvantnog tehnološkog steka korisnog obima – i staviti ga u ruke naših korisnika i partnera koji će pomerati granice složenijih problema“ newsroom.ibm.com. U suštini, dok IBM povećava broj kubita, oni takođe rade na tome da poboljšaju fideltet kubita i „pamet“ softvera, kako bi ti hiljade kubita zaista mogli da rade korisne zadatke na složenim problemima.

IBM čak koristi upečatljivu metaforu za predstojeću promenu. Kompanija poredi prelazak sa današnjih začetnih kvantnih računara na kvantni superkompjuter iz 2025. sa „zamenom papirnih mapa GPS satelitima“ u navigaciji ibm.com. To je slikovita slika: kvantni superkompjuteri mogli bi nas voditi kroz računarske probleme na suštinski nov način, baš kao što je GPS revolucionisao način na koji pronalazimo put. Da li će stvarnost odgovarati IBM-ovom optimizmu, ostaje da se vidi, ali nema sumnje da najbolji umovi IBM-a veruju da su na pragu nečeg velikog.

Šta kažu stručnjaci: Hype i provera realnosti

IBM-ova najava o 4.000 kubita izazvala je mnogo pažnje, ali spoljni stručnjaci nas često podsećaju da ostanemo realni u očekivanjima. Jedna od ključnih stvari koju ističu: samo veći broj kubita ne garantuje korisne rezultate. Današnji kvantni bitovi su „bučni“ – skloni su greškama – tako da samo povezivanje hiljada nesavršenih kubita ne rešava magično probleme ako ti kubiti ne mogu da održe koherenciju. IEEE Spectrum je naveo da IBM-ov plan mora biti praćen „inteligentnim softverskim slojem“ za upravljanje greškama i orkestraciju hibridnog kvantno-klasičnog opterećenja spectrum.ieee.org. Zapravo, moćan novi softverski stek može biti „ključ za bilo šta korisno“ sa procesorom od 4.000 kubita, jer omogućava ublažavanje grešaka i raspodelu zadataka između kvantnog hardvera i klasičnih koprocesora spectrum.ieee.org. Ukratko, sirov broj kubita nije sve – način na koji koristite i kontrolišete te kubite je podjednako važan.

Neki posmatrači industrije takođe ističu jaz između fizičkih kubita i logičkih kubita. Logički kubit je kubit sa korekcijom grešaka, praktično klaster od mnogo fizičkih kubita koji zajedno rade kako bi delovali kao jedan veoma pouzdan kubit. Stručnjaci procenjuju da bi za razbijanje moderne enkripcije (poput RSA ključeva od 2048 bita koji štite onlajn bezbednost) bilo potrebno oko 4.000 logičkih kubita sa korekcijom grešaka – što bi u praksi moglo značiti milione fizičkih kubita, s obzirom na trenutne režije za korekciju grešaka postquantum.com. Kako je jedan analitičar za bezbednost rekao, „4.000 logičkih kubita nije isto što i 4.000 stvarnih kubita” – potpuno korektovan kvantni računar sa hiljadama logičkih kubita i dalje je daleki san postquantum.com. IBM-ova mašina sa više od 4.000 kubita biće daleko od tog idealnog, otporng na greške; sastojaće se od fizičkih kubita kojima su potrebne pametne tehnike ublažavanja grešaka da bi bile korisne. Istraživači brzo upozoravaju da ne treba očekivati da će ova mašina, na primer, probiti internet enkripciju ili rešiti svaki nerešiv problem preko noći.

S druge strane, IBM-ova agresivna mapa puta stavlja ga ispred mnogih konkurenata u trci za što više kubita, a neki stručnjaci hvale modularni pristup kao pragmatičan način za skaliranje. „Verujemo da klasični resursi zaista mogu unaprediti ono što možete da uradite sa kvantnim računarstvom i izvući maksimum iz tog kvantnog resursa,” istakao je Blejk Džonson, lider IBM Quantum Platforme, naglašavajući potrebu za orkestracijom između kvantnog i klasičnog računarstva kako bi se iskoristili ovi veliki sistemi spectrum.ieee.org. Ovaj stav je široko prihvaćen: budućnost je „kvantno-plus-klasično” u tandemu.

Suprotstavljene vizije: IBM protiv Google-a, IonQ-a i drugih

IBM nije jedini u kvantnoj trci, ali se njegova strategija razlikuje od ostalih velikih igrača. Google, na primer, manje je fokusiran na broj kubita u skorije vreme, a više na postizanje potpuno korektovanog kvantnog računara bez grešaka. Google-ova mapa puta ima za cilj da ostvari upotrebljivu, korektovanu kvantnu mašinu do 2029. godine, a kompanija kontinuirano radi na demonstraciji logičkih kubita i smanjenju grešaka, umesto da pokušava da obori rekorde u broju kubita thequantuminsider.com. (Google-ovi trenutni uređaji, poput 72-kubitnog Bristlecone ili novijih verzija sa 53 kubita, kao što je Sycamore, imaju znatno manje kubita od IBM-ovih, ali je Google nedavno pokazao da povećanje broja fizičkih kubita u jednom logičkom kubitu može smanjiti stopu greške, što je obećavajući korak ka skalabilnosti thequantuminsider.com.) U javnim izjavama, Google-ovo rukovodstvo predviđa vremenski okvir od 5–10 godina da bi kvantno računarstvo počelo da ima stvaran uticaj thequantuminsider.com. Dakle, dok IBM juri ka prototipu sa 4.000 kubita, Google igra na duge staze kako bi postigao potpuno otporan kvantni računar na greške, čak i ako u skorije vreme ima samo desetine kubita.

Quantinuum (kompanija nastala spajanjem Honeywell-a i Cambridge Quantum-a) je još jedan teškaš, ali prati drugačiji tehnološki put: kvite uhvaćene u jonskoj zamci. Quantinuum ne juri odmah hiljade fizičkih kubita – njihov najnoviji sistem sa jonskom zamkom ima oko 50–100 kubita visokog kvaliteta – ali su demonstrirali rekordni kvantni obim (mera ukupnih sposobnosti) i čak su 2024. godine stvorili 12 “logičkih” kubita putem korekcije grešaka thequantuminsider.com. Quantinuum-ova mapa puta cilja na potpuno otporno kvantno računarstvo na greške do 2030. godine, a kompanija naglašava postizanje “tri devetke” pouzdanosti (99,9% pouzdanosti) i proboje u logičkim kubitima kao prekretnice thequantuminsider.com. Njihov izvršni direktor, Rajeeb Hazra, tvrdi da će kvalitet i napredak u korekciji grešaka otključati “tržište vredno trilion dolara” za kvantnu tehnologiju, i tvrdi da Quantinuum ima “najpouzdaniju mapu puta u industriji ka… kvantnom računarstvu otpornom na greške” thequantuminsider.com. Ukratko, Quantinuum-ov fokus je da usavrši kubite i korekciju grešaka, čak i ako to znači manje kubita za sada – što je suprotnost IBM-ovoj velikoj opkladi na skaliranje i rešavanje šuma kroz ublažavanje.

Još jedan ključni konkurent, IonQ, takođe koristi tehnologiju zarobljenih jona i takođe naglašava kvalitet kubita. Rukovodstvo IonQ-a često ističe „algoritamske kubite“ – interni parametar koji uzima u obzir stope grešaka i povezanost – umesto samog broja fizičkih kubita thequantuminsider.com. IonQ-ova mapa puta ima za cilj „široku kvantnu prednost do 2025. godine“, ali kroz postepeno poboljšanje performansi svojih kubita i izgradnju modularnih, rack-mountovanih sistema sa jonskim zamkama, a ne dostizanjem određenog visokog broja kubita thequantuminsider.com. Zapravo, IonQ predviđa da je potrebno samo nekoliko desetina visokokvalitetnih kubita da bi se nadmašili mnogo veći bučni kvantni računari u određenim zadacima. Bivši izvršni direktor Peter Chapman predvideo je da će IonQ-ova tehnologija „biti ključna za komercijalnu kvantnu prednost“, posebno naglašavajući algoritamske kubite u odnosu na fizički broj kao ključ za korisne primene thequantuminsider.com. Ova filozofija naglašava debatu u oblasti: da li je kvantno računarstvo „igra brojeva“ (više kubita brže) ili „igra kvaliteta“ (bolji kubiti čak i ako se sporije skaliraju)? IBM forsira brojke (uz pažnju na kvalitet), dok je IonQ čvrsto u taboru „kvalitet na prvom mestu“.

Tu je i Rigetti Computing, manji igrač sa superprovodničkim kubitima. Rigetti-jev plan je imao kašnjenja – nadali su se da će do 2024. dostići 1.000 kubita putem multi-chip modula, ali u praksi njihovi sistemi su i dalje na desetinama kubita. Od sredine 2025. godine, Rigetti cilja na skromniji sistem sa 100+ kubita do kraja 2025. godine thequantuminsider.com, fokusirajući se na poboljšanje vernosti i performansi dvokubitnih kapija usput. Kompanija se mučila da održi korak sa brzim skaliranjem IBM-a, što ilustruje koliko je izazovno za novajlije da pariraju IBM-ovim resursima i stručnosti u ovoj oblasti. Ipak, Rigetti i drugi doprinose inovacijama (na primer, Rigetti je bio pionir nekih ranih tehnika integracije više čipova), i ističu da IBM-ova prednost nije neosvojiva ako se pojave fundamentalni proboji (poput boljih dizajna kubita ili materijala).

Takođe vredi pomenuti D-Wave Systems u ovom kontekstu. D-Wave, kanadska kompanija, ima kvantne mašine za anilovanje (drugačiji model kvantnog računarstva) sa preko 5.000 kubita danas thequantuminsider.com. Međutim, D-Wave-ovi kubiti su dizajnirani za rešavanje optimizacionih problema putem anilovanja, a ne za opšte kvantne algoritme. Oni postižu visok broj kubita specijalizovanom arhitekturom, ali ti kubiti ne mogu da izvršavaju proizvoljne kvantne kola kao što to mogu IBM-ovi ili Google-ovi uređaji. Izvršni direktor D-Wave-a, Alan Baratz, naveo je da njihova tehnologija već donosi vrednost u određenim primenama (kao što su optimizacija rasporeda u maloprodaji ili rutiranje u telekomunikacijama) thequantuminsider.com. Postojanje D-Wave sistema sa 5.000 kubita podseća nas da nisu svi kubiti jednaki – D-Wave-ovi kubiti su korisni za specifične zadatke, ali se ne mogu direktno uporediti sa kubitima kvantnih računara zasnovanih na logičkim vratima. IBM-ov cilj od 4.000+ kubita odnosi se na univerzalne, na logičkim vratima zasnovane kubite, što je mnogo zahtevniji zadatak u pogledu složenosti i mogućnosti.

Ukratko, IBM se izdvaja agresivnim skaliranjem hardvera sa superprovodničkim kubitima i ciljem da ga integriše sa klasičnim računarstvom u kratkom roku. Google se fokusira na prekretnice u korekciji grešaka, Quantinuum i IonQ se fokusiraju na vernost kubita (sa manjim brojem kubita u bliskoj budućnosti), a kompanije poput Rigetti zaostaju sa manjim uređajima. Svaki pristup ima svoje prednosti. Ako IBM uspe, postaviće visok standard u broju kubita i možda ranije postigne kvantnu prednost u korisnim zadacima. Ali ako su kubiti previše bučni, tih 4.000 kubita možda neće nadmašiti 100 izuzetnih kubita konkurenta. Sledećih nekoliko godina biće fascinantna trka između različitih filozofija u kvantnom računarstvu – i nije sigurno da više kubita uvek pobeđuje, osim ako nisu upareni sa kvalitetom i pametnim softverom.

Zašto 4.000 kubita? Potencijalne primene i izazovi

Šta bi zapravo mogao da uradi kvantni računar sa 4.000 kubita, ako radi kako je zamišljeno? Za kontekst, današnji kvantni računari (sa desetinama ili niskim stotinama kubita) još uvek nisu jasno nadmašili klasične računare ni u jednom praktičnom problemu. IBM i drugi veruju da ćemo, gurajući u hiljade kubita, ući u zonu gde korisna kvantna prednost postaje moguća za određene klase problema tomorrowdesk.com. Evo nekoliko primena i uticaja koje bi sistem sa 4.000 kubita mogao da omogući:

• Hemija i nauka o materijalima: Kvantni računari su posebno pogodni za simulaciju molekularnih i atomskih sistema. Čak se i najveći klasični superračunari muče da precizno modeluju ponašanje složenih molekula i hemijskih reakcija. Istraživači iz IBM-a ističu da „malo oblasti će dobiti vrednost od kvantnog računarstva tako brzo kao hemija,” jer kvantne mašine mogu prirodno da obrađuju kvantnu prirodu hemijskih interakcija ibm.com. Sistem sa 4.000 kubita mogao bi potencijalno da simulira molekule srednje veličine ili nove materijale sa velikom preciznošću – što bi pomoglo u otkrivanju lekova, razvoju novih materijala (za baterije, đubriva, superprovodnike itd.) i razumevanju složenih hemijskih procesa. Ovo su problemi kod kojih klasične metode nailaze na zid zbog eksponencijalne složenosti. Do 2025. godine, IBM predviđa da će kvantni računari početi da istražuju korisne primene u prirodnim naukama kao što je hemija ibm.com.
• Optimizacija i finansije: Mnogi problemi iz stvarnog sveta – od logistike lanca snabdevanja do optimizacije portfolija – uključuju pronalaženje najboljeg rešenja među astronomski mnogo mogućnosti. Kvantni računari, sa algoritmima kao što su QAOA ili tehnikama kvantnog anilovanja, nude nove načine za rešavanje određenih problema optimizacije. Mašina sa hiljadama kubita mogla bi da obradi veće instance problema ili da pruži preciznija rešenja od trenutnih uređaja. Generalni direktor IBM-a, Arvind Krishna, sugerisao je da će kvantno računarstvo omogućiti nove algoritme za optimizaciju koje preduzeća mogu iskoristiti, što bi potencijalno moglo postati ključna prednost za industrije kao što su finansije, energetika i proizvodnja thequantuminsider.com. Sistem sa 4.000 kubita mogao bi, na primer, da reši složene probleme analize rizika ili optimizacije ruta koje klasični algoritmi ne mogu da reše u razumnom vremenu.
• Mašinsko učenje i veštačka inteligencija: Sve je više istraživanja o kvantnom mašinskom učenju, gde bi kvantni računari mogli da ubrzaju određene vrste zadataka mašinskog učenja ili ponude nove mogućnosti modelovanja. Sa hiljadama kubita, kvantni računari bi mogli da počnu da implementiraju modele kvantnih neuronskih mreža ili da izvode brže podrutine linearne algebre koje su osnova ML algoritama. IBM posebno posmatra mašinsko učenje kao test primer za kvantne primene – očekujući da će do 2025. godine kvantni računari biti korišćeni za istraživanje slučajeva upotrebe mašinskog učenja zajedno sa klasičnim ML, što bi moglo poboljšati način na koji prepoznajemo obrasce u podacima ili optimizujemo ML modele ibm.com. Praktičan primer može biti kvantno unapređeno biranje karakteristika ili klasterizacija na složenim skupovima podataka, što bi moglo biti ubrzano kvantnim podrutinama.
• Naučna istraživanja i „Veliki izazovi“: Pored ciljanih industrija, kvantni superkompjuter sa 4.000 kubita bio bi blagoslov za fundamentalnu nauku. Mogao bi se koristiti za simulaciju scenarija visokoenergetske fizike, optimizaciju dizajna kvantnih materijala ili čak za proučavanje pitanja iz kriptografije i matematike. IBM je široko spomenuo prirodne nauke – na primer, problemi u fizici ili biologiji koji su trenutno nerešivi mogli bi popustiti pred hibridnim kvantnim pristupom ibm.com. Zamislite dizajniranje katalizatora za hvatanje ugljenika ili analizu kvantnih sistema u nuklearnoj fizici – to su izuzetno složeni proračuni gde kvantni računar može pružiti nove uvide. IBM-ovi sopstveni istraživači ukazali su na primene u hemiji, optimizaciji i mašinskom učenju kao rane ciljeve za kvantnu prednost ibm.com.

To je sjajno obećanje – ali šta je sa izazovima? Kvantni računar sa 4.000 kubita suočiće se sa ozbiljnim preprekama:

• Šum i stope grešaka: Današnji kubiti su skloni greškama; dekoheriraju (gube svoje kvantno stanje) u roku od nekoliko mikrosekundi, a operacije („vrata“) između kubita su nesavršene. Sa samo 50-100 kubita, kvantni algoritmi mogu izvesti samo vrlo kratak niz operacija pre nego što greške preplave rezultat. Ako imate hiljade kubita, izazov šuma se umnožava. Zapravo, povezivanje tri čipa (kako IBM planira) može uvesti još više grešaka zbog nešto sporijih, manje pouzdanih operacija između čipova ibm.com. IBM to priznaje i razvija softver za System Two tako da bude „svestan“ arhitekture – na primer, da zakazuje ključne operacije na istom čipu i pažljivo upravlja sporijim operacijama između čipova ibm.com. Bez korekcije grešaka (koja neće biti u potpunosti implementirana do 2025), IBM će se osloniti na ublažavanje grešaka: pametne trikove za smanjenje uticaja grešaka. Ovo uključuje tehnike kao što je probabilističko poništavanje grešaka, gde namerno uvodite dodatni šum da biste naučili više o šumu, a zatim klasično postprocesirate rezultate da biste poništili greške spectrum.ieee.org. Ove metode su računarski zahtevne i nisu savršene, ali IBM-ova istraživanja sugerišu da se neke mogu skalirati na uređaje ove veličine spectrum.ieee.org. Ipak, upravljanje šumom je the centralno pitanje – to je razlog zašto kvantni računari još nisu rešili probleme iz stvarnog sveta, i mašina sa 4.000 kubita će uspeti samo ako IBM uspe da drži greške pod kontrolom dovoljno da omogući duboke proračune.
• Ispravljanje grešaka i logički kubiti: Dugoročno rešenje za šum je kvantna korekcija grešaka (QEC), koja će grupisati mnogo fizičkih kubita u jedan logički kubit koji može da preživi greške. IBM-ov sistem sa 4.000 kubita će verovatno i dalje raditi u “NISQ” režimu (Noisy Intermediate-Scale Quantum), što znači da još uvek neće biti korekcije grešaka u velikom obimu – jednostavno neće biti dovoljno kubita da se potpuno isprave greške na svih 4.000. (Za poređenje, pretvaranje čak i nekoliko hiljada fizičkih kubita u nekoliko logičkih kubita moglo bi da potroši celu mašinu.) Ipak, IBM postavlja temelje za korekciju grešaka. Kompanija aktivno istražuje nove QEC kodove (na primer, kvantni LDPC kod koji je efikasniji po pitanju broja kubita od tradicionalnih površinskih kodova) i brze dekodere grešaka thequantuminsider.com. Zapravo, IBM je nedavno produžio svoj plan razvoja do 2033, eksplicitno dajući prioritet poboljšanjima u kvalitetu kapija i razvoju modula sa korekcijom grešaka nakon 2025. godine newsroom.ibm.com. Superkompjuter sa 4.000 kubita može se posmatrati kao most: zamišljen je da bude dovoljno veliki da omogući korisne stvari sa ublažavanjem grešaka, dok IBM-u omogućava da nauči kako da implementira delimičnu korekciju grešaka u velikom obimu. IBM je čak najavio plan za prototip kvantnog računara otpornog na greške do 2029. godine hpcwire.com, što ukazuje da je korekcija grešaka zaista visoko na njihovoj agendi kada dostignu prag od 4.000 kubita. Ipak, postizanje potpuno ispravljenih (logičkih) kubita zahtevaće višestruko više kubita ili mnogo bolji kvalitet kubita – verovatno kombinaciju oba.
• Softver i alati za programere: Čak i ako imate kvantni računar sa 4.000 kubita, potreban vam je softver koji može efikasno da ga koristi. Kvantni algoritmi moraju biti mapirani na ovaj složeni hardver sa više čipova. IBM to rešava alatima kao što su Qiskit Runtime i Quantum Serverless arhitektura. Oni omogućavaju korisniku da podeli problem na manje kvantne kola, izvršava ih paralelno na različitim kvantnim čipovima i spoji rezultate klasičnom obradom ibm.com. Na primer, “circuit knitting” je jedna od tehnika koju IBM ističe – podela velikog kola na delove koji mogu stati na manje procesore, a zatim klasično ponovno kombinovanje rezultata ibm.com. Do 2025. godine, IBM planira da ima funkcije kao što su dinamička kola (gde rezultati merenja mogu uticati na buduće operacije u realnom vremenu) i ugrađenu supresiju grešaka na svojoj cloud platformi ibm.com. Izazov će biti da se sve ovo učini prijateljskim za programere. IBM želi da kvantno računarstvo bude dostupno tako da data naučnici i eksperti iz domena (ne samo kvantni doktori nauka) mogu da iskoriste tih 4.000 kubita ibm.com. Postizanje dobre apstrakcije – gde korisnik može, na primer, da pozove funkciju visokog nivoa za simulaciju molekula, a sistem sam odredi kako da upotrebi 4.000 kubita za to – biće ključno za praktičnu upotrebu. IBM-ov pristup ovde je koncept kvantnog middleware-a i “app store-a” kvantnih primitiva: unapred pripremljenih funkcija za uobičajene zadatke kao što su uzorkovanje raspodele verovatnoće ili procena svojstava sistema ibm.com. Ako uspeju, hemičar 2025. godine možda neće morati da zna detalje hardvera; mogao bi jednostavno da koristi IBM-ov softver kako bi iskoristio snagu od 4.000 kubita za svoju simulaciju.
• Fizička infrastruktura: Skaliranje na hiljade kubita nije samo računarski izazov, već i inženjerski maraton. Kvantni procesori moraju biti hlađeni na milikelvinske temperature – hladnije od svemira. IBM je morao da dizajnira novi rashladni uređaj sa razblaživanjem (IBM Quantum System Two) koji je veći i modularniji od prethodnih kako bi mogao da primi više čipova i svu njihovu upravljačku žičanu infrastrukturu techmonitor.ai. Frižider, elektronika i kablovi postaju sve složeniji kako dodajete kubite. Hiljade kubita znače hiljade mikrotalasnih upravljačkih linija, sofisticirano filtriranje kako bi se sprečilo propuštanje toplote i šuma do kubita, i ogroman protok podataka iz očitavanja kubita. IBM-ovi inženjeri su uporedili složenost skaliranja kvantnih sistema sa ranim superkompjuterima ili svemirskim misijama. Do 2025. godine, IBM očekuje da će „ukloniti glavne prepreke na putu skaliranja“ putem modularnog hardvera i prateće upravljačke elektronike ibm.com – ali vredi napomenuti da IBM tek sada nailazi na te prepreke. System Two u Njujorku je u suštini prototip za upravljanje takvom složenošću newsroom.ibm.com. IBM takođe instalira System Two u Evropi (u partnerstvu sa vladom Baskije u Španiji) do 2025. godine tomorrowdesk.com, što će testirati kako se ova najsavremenija infrastruktura može replicirati van IBM-ove laboratorije. Uspeh ovih implementacija biće važan dokaz da se instalacije i ožičenje kvantnog superkompjutera mogu učiniti pouzdanim i održivim.

U svetlu ovih izazova, stručnjaci ublažavaju hajp napominjući da će IBM-ova mašina sa 4.000 kubita verovatno biti visoko specijalizovan alat. Možda će nadmašiti klasične superkompjutere u specifičnim problemima (simulacije kvantne hemije, određene optimizacije ili zadaci mašinskog učenja kao što je pomenuto), postižući kvantnu prednost ili čak nagoveštaje kvantne supremacije u korisnim kontekstima. Međutim, to neće trenutno učiniti klasične računare zastarelim. Zapravo, za mnoge zadatke, klasični superkompjuteri i GPU-ovi će i dalje biti brži ili praktičniji. IBM-ova sopstvena mapa puta priznaje ovu sinergiju: kvantni superkompjuter je zamišljen da radi sa klasičnim HPC-om, pri čemu svaki radi ono što najbolje zna tomorrowdesk.com. Dakle, treba da posmatramo sistem sa 4.000 kubita kao jedan od prvih pravih „kvantnih akceleratora“ – nešto što biste koristili uz klasično računarstvo za rešavanje onih zaista teških problema koje klasične mašine same ne mogu da reše. To je značajan korak ka krajnjem snu o kvantnom računarstvu otpornom na greške, ali nije konačno odredište.

Put napred: IBM-ova kvantna mapa puta posle 2025. godine

IBM-ov superkompjuter sa više od 4.000 kubita je značajna prekretnica, ali je deo dužeg plana razvoja koji se proteže do 2030-ih. IBM je javno izjavio da će do 2025. godine, sa ovim kvantno-centričnim superkompjuterom, „ukloniti neke od najvećih prepreka za skaliranje kvantnog hardvera“ ibm.com. Ali razvoj se tu neće zaustaviti. Od 2025. godine pa nadalje, IBM-ov fokus će se sve više preusmeravati na skaliranje uz kvalitet – poboljšanje fidelnog kvbita, korekciju grešaka i složenost kola koja mogu da se izvršavaju.

Zapravo, krajem 2023. godine, IBM je ažurirao svoju mapu razvoja kvantnih tehnologija sve do 2033. Jedan od ključnih ciljeva: oko 2026–2027. godine, uvođenje kvantnih operacija sa korekcijom grešaka na svojim sistemima, sa ciljem prelaska na „napredne sisteme sa korekcijom grešaka“ kasnije tokom decenije newsroom.ibm.com. IBM daje prioritet poboljšanjima u fidelnom gejta (smanjenje stope grešaka) tako da veća kvantna kola (sa hiljadama operacija) postanu izvodljiva newsroom.ibm.com. Ovo sugeriše da će, nakon dostizanja cilja po broju kubita, IBM udvostručiti napore na poboljšanju svakog kubita i postepenoj integraciji korekcije grešaka. Konkretan primer je IBM-ov rad na novim kodovima za korekciju grešaka kao što su Quantum LDPC kodovi i brži algoritmi za dekodiranje, koji imaju za cilj efikasnije rešavanje grešaka od današnjih surface kodova thequantuminsider.com. Takođe se govori o IBM procesoru kodnog imena „Loon“ oko 2025. godine, koji je namenjen testiranju komponenti arhitekture sa korekcijom grešaka (kao što su moduli za povezivanje kubita za određeni QEC kod) hpcwire.com. Do 2029. godine, IBM teži da izgradi demonstrabilan prototip kvantnog računara otporanog na greške, usklađujući se sa konkurentima poput Google-a u tom krajnjem ciljuhpcwire.com.

Na hardverskom planu, IBM će verovatno nastaviti svoju seriju procesora sa nazivima po pticama i nakon Kookaburra. Mapa puta posle 2025. godine nije u potpunosti javna, ali je IBM nagovestio istraživanje još većih sistema sa više čipova i možda hibridnih tehnologija. Na primer, IBM-ova vizija kvantno-centričnog superračunara na kraju uključuje kvantne komunikacione veze koje mogu povezivati klastere čipova na daljinu, a ne samo u istom frižideru newsroom.ibm.com. Možda ćemo videti da IBM ugrađuje optičke vlaknaste međuspojeve ili druge metode za povezivanje kvantnih procesora u različitim kriostatima – slično kvantnoj lokalnoj mreži. Ovo bi vodilo ka desetinama hiljada ili čak milionima kubita na duže staze, za šta IBM priznaje da će biti potrebno za rešavanje najtežih problema (i potpunu korekciju grešaka) newsroom.ibm.com, insidehpc.com. IBM-ovim rečima, njihov modularni i umreženi pristup treba da omogući skaliranje do “stotina hiljada kubita” tokom vremena newsroom.ibm.com. Sistem sa 4.000 kubita je u suštini prva implementacija arhitekture kvantnog superračunara koja može da raste povezivanjem više modula.

Šira IBM-ova mapa puta takođe uključuje razvoj kvantnog ekosistema. Kompanija ulaže u obrazovanje, partnerstva i pristup kroz oblak, kako bi do trenutka kada hardver bude spreman, postojala zajednica spremna da ga koristi. Na primer, IBM je sarađivao sa nacionalnim laboratorijama, univerzitetima, pa čak i regionalnim vladama (kao što su Japan, Koreja, Nemačka i Španija) na postavljanju kvantnih sistema i podsticanju lokalnog razvoja. Plan za postavljanje prvog IBM Quantum System Two u Evropi u Španiji do 2025. godine tomorrowdesk.com deo je te strategije – omogućiti što većem broju ljudi rad sa naprednim kvantnim hardverom. IBM-ovo rukovodstvo predviđa da će kvantno računarstvo postati ključna poslovna prednost u narednim godinama thequantuminsider.com, i žele da budu u centru te nove kvantne ekonomije.

Zaključno, IBM-ov projekat kvantnog superkompjutera sa više od 4.000 kubita predstavlja istorijski skok u razmeri za kvantno računarstvo. Ako bude uspešan, označiće prelazak sa izolovanih, eksperimentalnih kvantnih procesora na umrežene kvantne sisteme koji se približavaju pragovima praktične upotrebe. Ovaj poduhvat se nalazi na preseku najsavremenije fizike, inženjeringa i računarstva. To je podjednako softversko dostignuće koliko i hardversko dostignuće, jer zahteva nove načine upravljanja i programiranja potpuno nove vrste superkompjutera. Svet pažljivo prati – ne samo zbog rekordnog broja kubita, već i zbog toga da li IBM može da demonstrira korisne rezultate sa ovom mašinom koji prevazilaze ono što klasični računari mogu da urade.

Sredina 2025. godine zatiče IBM na ivici ovog dostignuća: hardverski dizajn je uglavnom završen, početni prototipovi rade, a kompanija se utrkuje da integriše sve u funkcionalni superkompjuter. Uspeh nije zagarantovan, ali momentum i napredak do sada su neosporni. Čak bi se i konkurenti i skeptici složili da je IBM dramatično pomerio granice ove oblasti. Dok čekamo punu premijeru IBM-ovog kvantnog superkompjutera, jedno je jasno – ulazimo u novo poglavlje računske sage. Kao što je i sam IBM proglasio, nadolazeći kvantno-centrični superkompjuter je spreman da postane „osnovna tehnologija za one koji rešavaju najteže probleme, one koji rade najrevolucionarnija istraživanja i one koji razvijaju najnapredniju tehnologiju” insidehpc.com.

Narednih nekoliko godina pokazaće da li će to obećanje biti ispunjeno, ali ako se IBM-ova opklada isplati, 4.000 kubita bi zaista moglo da zauvek promeni računarstvo – otvarajući vrata rešenjima za probleme za koje smo nekada mislili da su nemogući, i najavljujući zoru ere kvantnog računarstva.

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 kvantni superkompjuter koji bi mogao dostići 4.000 kubita do 2025. godine techmonitor.ai
• IEEE Spectrum: IBM-ova meta: procesor sa 4.000 kubita do 2025. godine (analiza plana razvoja i izazova) spectrum.ieee.org
• InsideHPC: IBM na Think 2022 – vizija kvantno-centričnog superračunarstva insidehpc.com
• The Quantum Insider: Planovi razvoja kvantnog računarstva glavnih aktera (IBM, Google, IonQ, itd.) thequantuminsider.com
• TomorrowDesk: Pregled IBM-ovog cilja za kvantni superračunar 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 Network-a techmonitor.ai