IBMs kvantdator med 4 000 qubitar kan förändra datorvärlden för alltid

• IBM planerar en kvantdator med över 4 000 qubits till 2025, uppnått genom att sammankoppla tre Kookaburra-chip med 1 386 qubits vardera till ett system med 4 158 qubits.
• Den modulära plattformen Quantum System Two, som lanserades 2023, är utformad för att hysa flera chip och har ett kryogent kylskåp samt avancerad styr-elektronik.
• I slutet av 2023 startade IBM det första Quantum System Two, som körde tre Heron-processorer med 133 qubits parallellt.
• Vid slutet av 2025 avser IBM att hysa tre Kookaburra-chip på System Two, vilket skapar en enda maskin med 4 158 qubits.
• IBM använder kortdistanskopplare mellan chip och kryogena länkar för att koppla ihop chipen till en enda beräkningsväv.
• Företaget kallar tillvägagångssättet kvantcentrerad superdator, där QPU:er vävs samman med CPU:er och GPU:er till en enhetlig beräkningsväv.
• Qiskit Runtime och circuit knitting gör det möjligt för utvecklare att köra stora kvantarbetslaster över flera chip med inbyggd felreducering.
• Systemet med över 4 000 qubits kommer att verka i NISQ-regimen 2025 och förlita sig på felreducering snarare än fullständig kvantfelkorrigering.
• Experter uppskattar att det skulle krävas cirka 4 000 felkorrigerade logiska qubits för att knäcka RSA-2048, vilket sannolikt innebär miljontals fysiska qubits.
• Konkurrenter inkluderar Google som siktar på feltolerant kvantdator till 2029, IonQ som satsar på algoritmiska qubits, Quantinuum med fokus på hög fidelitet och feltolerans, samt D-Wave som erbjuder ett annealingsystem med över 5 000 qubits.

IBM står på tröskeln till ett genombrott inom kvantdatorer: en “kvantsuperdator” med över 4 000 qubits till 2025. Teknikjättens ambitiösa plan – en del av en större kvantstrategi – lovar att revolutionera databehandling genom att ta sig an problem som dagens snabbaste superdatorer inte klarar av. I denna rapport går vi igenom IBMs kvantresa, designen av deras system med över 4 000 qubits, expertinsikter (och hype), hur det står sig mot konkurrenter som Google och IonQ, samt vad en maskin med 4 000 qubits kan innebära för världen.

Bakgrund: IBMs kvantdatorjakt

IBM har varit en pionjär inom kvantdatorer, och lett utvecklingen inom både hårdvara och mjukvara. Redan 2020 presenterade IBM en kvantfärdplan och har nått varje milstolpe sedan dess. De demonstrerade processorn Eagle med 127 qubits 2021 – ett chip så komplext att dess kretsar “inte kan simuleras exakt på en klassisk dator” insidehpc.com. År 2022 introducerade IBM chipet Osprey med 433 qubits, ett stort steg upp från Eagle i antal qubits techmonitor.ai. Senast, i slutet av 2023, nådde IBM 1 121 qubits med sin processor Condor – den första kvantprocessorn att passera tusen-qubitsgränsentomorrowdesk.com. Varje framsteg har lagt avgörande grund för att kunna skala upp till tusentals qubits.

Men IBMs strategi handlar inte bara om att stapla på fler qubits. Företaget betonar en fullstack-approach: robust kvanthårdvara, intelligent kvantmjukvara och ett brett ekosystem av användare och partners newsroom.ibm.com, insidehpc.com. År 2016 lade IBM ut den första kvantdatorn i molnet för allmänheten, och idag är över 200 organisationer och 450 000 användare anslutna till IBMs kvanttjänster via molnet techmonitor.ai. IBMs mjukvaruramverk (Qiskit) och Qiskit Runtime-miljö gör det möjligt för utvecklare att köra kvantprogram effektivt, med inbyggda verktyg för att mildra fel och orkestrera hybrida kvant-klassiska arbetslaster newsroom.ibm.com, insidehpc.com. Denna täta integration av hårdvara och mjukvara – tillsammans med ett nätverk av akademiska och industriella samarbetspartners – är central för IBMs bredare mål: att föra användbar kvantdatoranvändning till världen, inte bara labbdemonstrationer.

IBM kallar gärna denna vision för “kvantcentrerad superdatoranvändning.” Tanken är att så småningom väva samman kvantprocessorer (QPU:er) med klassiska CPU:er och GPU:er i ett sömlöst datortyg insidehpc.com. Precis som moderna superdatorer kombinerar CPU:er och AI-acceleratorer för att hantera AI-arbetslaster, ser IBM att framtidens superdatorer kombinerar kvant- och klassiska motorer för att ta itu med problem som ingen av dem kan lösa på egen hand insidehpc.com. Med Dr. Jay Gambettas, IBMs vice vd för kvant, ord: “Nu inleder IBM den kvantcentrerade superdatorns tidsålder, där kvantresurser – QPU:er – kommer att vävas samman med CPU:er och GPU:er till ett datortyg”, med målet att lösa “de tuffaste problemen” inom vetenskap och industri insidehpc.com. Det är en djärv vision som handlar om mer än att bara skapa en snabbare dator; det handlar om att förändra själva formen av databehandling.

Designa en kvantdator med över 4 000 qubits

Hur bygger man en kvantdator med över 4 000 qubits? IBMs svar: modularitet. Istället för ett enda jättestort chip kopplar IBM samman flera mindre kvantchip till ett system – ungefär som att länka noder i en superdator. Företagets nästa generations plattform, kallad IBM Quantum System Two, är specifikt designad för detta. System Two, som lanserades 2023, är IBMs första modulära kvantdatorsystem, med ett toppmodernt kryogent kylskåp och styrelektronik som kan stödja flera kvantprocessorer samtidigt techmonitor.ai, newsroom.ibm.com. Det är det fysiska “huset” som kommer att hysa IBMs kommande flotta av sammankopplade chip, alla nedkylda till nära den absoluta nollpunkten. Genom att kombinera chip kan IBM snabbt öka antalet qubits utan att behöva tillverka omöjligt stora enskilda chip – ett tillvägagångssätt som är avgörande för att ta steget från hundratals till tusentals qubits.

Figur: IBMs vision för en kvantsuperdator är att länka samman flera kvantchip till ett system. År 2025 planerar IBM att introducera “Kookaburra”, en processor med 1 386 qubits och kvantkommunikationslänkar; tre Kookaburra-chip kan kopplas ihop till ett enda system med 4 158 qubits ibm.com. Denna modulära arkitektur gör att IBM kan skala upp till tusentals qubits genom att nätverka mindre processorer istället för att förlita sig på ett enda massivt chip.

Hjärtat i IBMs plan för 4 000 qubits är dess kommande familj av processorer med fågelinspirerade kodnamn. Under 2024 förväntas IBM lansera ”Flamingo”, ett chip med 462 qubits som är utformat för att testa kvantkommunikation mellan chip ibm.com. IBM planerar att demonstrera Flamingos design genom att koppla samman tre Flamingo-processorer till ett enda system med 1 386 qubits – vilket i princip visar att flera chip kan arbeta tillsammans som om de vore ett enda ibm.com. Sedan kommer den stora: år 2025 kommer IBM att presentera ”Kookaburra”, en processor med 1 386 qubits byggd för modulär skalning ibm.com. Tack vare inbyggda kommunikationslänkar kan tre Kookaburra-chip kopplas samman för att bilda en enda maskin med 4 158 qubits ibm.com. Med IBMs egna ord kommer detta att bli den första kvantcentrerade superdatorn, som passerar milstolpen 4 000 qubits.

Hur ser då denna arkitektur ut? I grunden använder IBM kortdistanskopplare mellan chip och kryogena länkar för att koppla samman qubits över olika chip spectrum.ieee.org. Tänk dig varje chip som en ”platta” av qubits; kopplare gör det möjligt för intilliggande plattor att dela kvantinformation, och speciella mikrovågskablar kan koppla samman chip som ligger lite längre ifrån varandra spectrum.ieee.org. Utmaningen är att få qubits på separata chip att bete sig nästan som om de vore på samma chip – ingen lätt uppgift, eftersom kvanttillstånd är sköra. IBM har utvecklat ny kopplarteknik för att hålla sammanflätade qubits koherenta mellan chip tomorrowdesk.com. System Two tillhandahåller den ultrakalla, vibrationsfria miljön och en flexibel kabeldragning för att möjliggöra dessa nätverk med flera chip techmonitor.ai. Allt detta orkestreras av ett ”intelligent” kontrollager (programvara och klassisk beräkning) som styr kvantoperationer över de olika chipen och får dem att arbeta tillsammans insidehpc.com.

IBMs tidslinje innebär att systemet med över 4 000 qubitar ska vara i drift någon gång under 2025 techmonitor.ai. Faktum är att de första delarna redan är på plats. I slutet av 2023, vid IBM Quantum Summit, startade IBM upp det första Quantum System Two, som körde tre mindre 133‑qubits “Heron”-processorer parallellt newsroom.ibm.com. Detta fungerade som en prototyp: Heron är ett relativt låg-qubit-chip men med avsevärt förbättrade felfrekvenser, och IBM använde System Two för att visa att det kan driva flera processorer tillsammans som ett enda system newsroom.ibm.com. Under det kommande året eller två kommer IBM att skala upp detta – byta ut till större chip (som Flamingo och sedan Kookaburra) och koppla ihop fler av dem. Målet är att i slutet av 2025 ska IBM Quantum System Two ha tre Kookaburra-chip och därmed >4 000 sammankopplade qubitar i en och samma maskin techmonitor.ai. På längre sikt ser IBM till och med framför sig att koppla ihop flera System Two: till exempel skulle tre sådana system kunna ge ett kluster med över 16 000 qubitar i framtiden techmonitor.ai. Med andra ord, 4 000 qubitar är inte slutmålet – det är en milstolpe på vägen mot ännu större kvantmaskiner byggda genom att nätverka moduler tillsammans, ungefär som klassiska superdatorer skalas ut med flera noder.

IBMs vision: Insikter från kvantledare

IBMs kvantteam är förståeligt nog entusiastiska – och optimistiska – över vad detta språng till 4 000 qubitar innebär. IBMs forskningschef, Dr. Darío Gil, har ofta talat om att nå en ny era av praktisk kvantdatoranvändning. ”Att genomföra vår vision har gett oss tydlig insyn i kvantframtiden och vad som krävs för att ta oss till den praktiska kvantdatoreran,” sade Gil, när IBM utökade sin färdplan newsroom.ibm.com. Med målet om 4 000+ qubitar i sikte beskrev han det som att det markerar början på ”en era av kvantcentrerade superdatorer som kommer att öppna upp stora och kraftfulla beräkningsmöjligheter” för utvecklare, partners och kunder newsroom.ibm.com. Med andra ord ser IBM detta som gryningen för kvantdatorer som inte bara är labbexperiment, utan kraftfulla verktyg för verklig användning.

Jay Gambetta, IBM Fellow och VP för Quantum, har kallat 2023 en viktig vändpunkt – ögonblicket då konceptet med kvantcentrerade superdatorer blev verklighet i prototypform techmonitor.ai. Enligt Gambetta räcker det inte bara med fler qubitar; ”kvantcentrerad superdatoranvändning kommer att kräva mer än bara många qubitar”, förklarade han – det behövs också större kretsdjup och tät integration med klassiska system techmonitor.ai. Detta speglar IBMs fokus på kvaliteten hos qubitarna och den sömlösa sammansmältningen av kvant- och klassisk databehandling. ”Vårt uppdrag är att föra användbar kvantdatoranvändning till världen,” sade Gambetta. ”Vi kommer att fortsätta erbjuda det bästa fullstack-kvanterbjudandet i branschen – och det är upp till branschen att använda dessa system” techmonitor.ai. Budskapet: IBM kommer att leverera hårdvaran och mjukvaran, och de förväntar sig att företag och forskare börjar göra meningsfulla saker med det.

Vid Quantum Summit 2023 uttryckte IBMs team en optimistisk syn på teknikens mognad. ”Vi befinner oss nu tydligt i en era där kvantdatorer används som ett verktyg för att utforska nya vetenskapliga gränser,” kommenterade Dr. Darío Gil och påpekade att kvantmaskiner inte längre bara är kuriositeter newsroom.ibm.com. Han lyfte fram IBMs framsteg i att skala upp dessa system genom modulär design och lovade att ”ytterligare öka kvaliteten på en kvantteknologisk stack i verktygsskala – och sätta den i händerna på våra användare och partners som kommer att tänja på gränserna för mer komplexa problem” newsroom.ibm.com. I grund och botten, när IBM skalar upp antalet qubits, arbetar de också för att förbättra qubit-fidelitet och mjukvarans ”intelligens”, så att dessa tusentals qubits faktiskt kan utföra användbart arbete på komplexa problem.

IBM använder till och med en levande metafor för det kommande skiftet. Företaget liknar övergången från dagens begynnande kvantdatorer till kvantsuperdatorn 2025 vid att ”ersätta papperskartor med GPS-satelliter” inom navigation ibm.com. Det är en talande bild: kvantsuperdatorer skulle kunna vägleda oss genom beräkningsproblem på ett fundamentalt nytt sätt, precis som GPS revolutionerade hur vi hittar rätt. Om verkligheten kommer att motsvara IBMs optimism återstår att se, men det råder ingen tvekan om att IBMs främsta experter tror att de står på tröskeln till något stort.

Vad experterna säger: Hype och verklighetskontroll

IBMs tillkännagivande om 4 000 qubits har skapat mycket uppmärksamhet, men externa experter påminner oss ofta om att hålla förväntningarna på en rimlig nivå. En viktig poäng de lyfter fram: fler qubits i sig garanterar inte användbara resultat. Dagens kvantbitar är ”brusiga” – de är benägna att göra fel – så att bara koppla ihop tusentals ofullkomliga qubits löser inte magiskt problem om dessa qubits inte kan bibehålla koherens. IEEE Spectrum noterade att IBMs plan måste kompletteras med ett ”intelligent mjukvarulager” för att hantera fel och orkestrera den hybrida kvant-klassiska arbetsbelastningen spectrum.ieee.org. Faktum är att en kraftfull ny mjukvarustack kan vara ”nyckeln till att göra något användbart” med en 4 000-qubits-processor, genom att hantera felreducering och dela upp uppgifter mellan kvantmaskinvaran och klassiska co-processorer spectrum.ieee.org. Kort sagt, antalet qubits i sig är inte allt – hur du använder och kontrollerar dessa qubits är minst lika avgörande.

Vissa branschobservatörer påpekar också skillnaden mellan fysiska qubitar och logiska qubitar. En logisk qubit är en felkorrigerad qubit, i praktiken en grupp av många fysiska qubitar som samarbetar för att agera som en mycket pålitlig qubit. Experter uppskattar att det skulle krävas omkring 4 000 felkorrigerade logiska qubitar för att knäcka modern kryptering (som de 2048-bitars RSA-nycklar som skyddar internetsäkerhet) – vilket i praktiken kan innebära miljontals fysiska qubitar med dagens felkorrigeringskostnader postquantum.com. Som en säkerhetsanalytiker uttryckte det, ”4 000 logiska qubitar är inte samma sak som 4 000 faktiska qubitar” – en fullt felkorrigerad kvantdator med tusentals logiska qubitar är fortfarande en avlägsen dröm postquantum.com. IBMs maskin med över 4 000 qubitar kommer att vara långt ifrån det feltoleranta idealet; den kommer att bestå av fysiska qubitar som kräver smarta felhanteringstekniker för att vara användbara. Forskare är snabba med att påpeka att vi inte ska förvänta oss att denna maskin till exempel knäcker internetkryptering eller löser alla olösliga problem över en natt.

Med det sagt, IBMs aggressiva färdplan placerar dem före många konkurrenter i det rena qubit-loppet, och vissa experter berömmer den modulära metoden som ett pragmatiskt sätt att skala upp. ”Vi tror att klassiska resurser verkligen kan förstärka vad du kan göra med kvant och få ut det mesta av den kvantresursen,” noterade Blake Johnson, chef för IBMs Quantum Platform, och betonade behovet av samordning mellan kvant- och klassisk databehandling för att utnyttja dessa stora system spectrum.ieee.org. Denna uppfattning delas brett: framtiden är ”kvant-plus-klassisk” i samverkan.

Konkurrerande visioner: IBM vs. Google, IonQ och andra

IBM är inte ensamma i kvantkapplöpningen, men deras strategi skiljer sig från andra stora aktörer. Google, till exempel, har varit mindre fokuserade på antalet kubiter på kort sikt och mer på att uppnå en fullt felfri kvantdator. Googles färdplan syftar till att förverkliga en användbar, felfri kvantmaskin till 2029, och företaget har stadigt arbetat med att demonstrera logiska kubiter och felreducering snarare än att försöka slå rekord i antal kubiter thequantuminsider.com. (Googles nuvarande enheter, som den 72-kubits Bristlecone eller nyare versioner av deras 53-kubits Sycamore, har betydligt färre kubiter än IBMs, men Google visade nyligen att en ökning av antalet fysiska kubiter i en logisk kubit kan minska felfrekvensen, ett lovande steg mot skalbarhet thequantuminsider.com.) I offentliga uttalanden uppskattar Googles ledning en tidsram på 5–10 år innan kvantdatorer börjar få verklig påverkan thequantuminsider.com. Så medan IBM rusar mot en prototyp med 4 000 kubiter, spelar Google ett långsiktigt spel för att uppnå en fullt feltolerant kvantdator, även om de bara har dussintals kubiter på kort sikt.

Quantinuum (företaget som bildades av Honeywell och Cambridge Quantum) är en annan tungviktare, men de följer en annan teknologisk väg: fångade jon-kubiter. Quantinuum jagar inte tusentals fysiska kubiter direkt – deras senaste jonfällesystem har omkring 50–100 högfidelitetskubiter – men de har demonstrerat rekordbrytande kvantvolym (ett mått på den totala kapaciteten) och till och med skapat 12 “logiska” kubiter via felkorrigering under 2024 thequantuminsider.com. Quantinuums färdplan siktar på fullt feltolerant kvantdatoranvändning till 2030, och företaget betonar att uppnå “tre nior” i fidelitet (99,9% tillförlitlighet) och genombrott inom logiska kubiter som milstolpar thequantuminsider.com. Deras VD, Rajeeb Hazra, hävdar att kvalitet och framsteg inom felkorrigering kommer att låsa upp en “biljondollarmarknad” för kvantteknik, och påstår att Quantinuum har “branschens mest trovärdiga färdplan mot… feltolerant kvantdatoranvändning” thequantuminsider.com. Sammanfattningsvis är Quantinuums fokus att förfina kubiterna och felkorrigeringen, även om det innebär färre kubiter för tillfället – en kontrast till IBMs stora satsning på att skala upp och hantera brus genom mildring.

En annan viktig konkurrent, IonQ, använder också infångade joner-teknologi och betonar likaså kvaliteten på qubitar. IonQ:s ledning framhåller ofta “algoritmiska qubitar” – en intern mätmetod som tar hänsyn till felfrekvenser och konnektivitet – snarare än det rena antalet fysiska qubitar thequantuminsider.com. IonQ:s färdplan siktar på “bred kvantfördel till 2025”, men genom att stadigt förbättra prestandan hos sina qubitar och bygga modulära, rackmonterade jonfällesystem, inte genom att nå ett specifikt högt qubitantal thequantuminsider.com. Faktum är att IonQ räknar med att bara behöva ett par dussin högkvalitativa qubitar för att överträffa mycket större brusiga kvantdatorer i vissa uppgifter. Före detta VD:n Peter Chapman förutspådde att IonQ:s teknik “kommer att vara avgörande för kommersiell kvantfördel,” och betonade särskilt algoritmiska qubitar framför fysiska antal som nyckeln till användbara tillämpningar thequantuminsider.com. Denna filosofi understryker en debatt inom området: är kvantdatorer ett “antalsspel” (fler qubitar snabbare) eller ett “kvalitetsspel” (bättre qubitar även om det går långsammare att skala upp)? IBM satsar på antal (med fokus även på kvalitet), medan IonQ tydligt prioriterar kvalitet först.

Sedan finns Rigetti Computing, en mindre aktör inom supraledande qubitar. Rigettis färdplan har drabbats av förseningar – de hade hoppats nå 1 000 qubitar via multichipmoduler till 2024, men i praktiken ligger deras system fortfarande på tiotalet qubitar. Från och med mitten av 2025 siktar Rigetti på ett mer blygsamt 100+ qubit-system till slutet av 2025 thequantuminsider.com, med fokus på att förbättra fidelitet och två-qubitgrindars prestanda längs vägen. Företaget har haft svårt att hålla jämna steg med IBMs snabba uppskalning, vilket illustrerar hur utmanande det är för nykomlingar att matcha IBMs resurser och expertis på detta område. Ändå bidrar Rigetti och andra till innovation (till exempel var Rigetti pionjärer inom vissa tidiga multichip-integrationstekniker), och de visar att IBMs försprång inte är oövervinnerligt om grundläggande genombrott (som bättre qubitdesigner eller material) skulle uppstå.

Det är också värt att nämna D-Wave Systems i detta sammanhang. D-Wave, ett kanadensiskt företag, har kvantannealing-maskiner (en annan modell av kvantdatorer) med över 5 000 qubits idag thequantuminsider.com. Dock är D-Waves qubits utformade för att lösa optimeringsproblem via annealing, inte för generella kvantalgoritmer. De uppnår höga qubit-antal genom en specialiserad arkitektur, men dessa qubits kan inte köra godtyckliga kvantkretsar som IBMs eller Googles enheter kan. D-Waves VD, Alan Baratz, har påpekat att deras teknik redan levererar värde i vissa tillämpningar (som att optimera scheman inom detaljhandeln eller telekommunikationsruttning) thequantuminsider.com. Existensen av ett 5 000-qubit D-Wave-system påminner oss om att inte alla qubits är lika – D-Waves qubits är användbara för specifika uppgifter men kan inte direkt jämföras med qubits i grindbaserade kvantdatorer. IBMs mål om över 4 000 qubits syftar på universella, grindbaserade qubits, vilket är betydligt mer komplext och kapabelt.

Sammanfattningsvis utmärker sig IBM genom att aggressivt skala upp supraledande qubit-hårdvara och siktar på att integrera den med klassisk databehandling på kort tid. Google fokuserar på milstolpar inom felkorrigering, Quantinuum och IonQ fokuserar på qubit-fidelitet (med färre qubits på kort sikt), och företag som Rigetti ligger efter med mindre enheter. Varje tillvägagångssätt har sina fördelar. Om IBM lyckas kommer de att sätta en hög standard för qubit-antal och kanske uppnå kvantfördel i användbara uppgifter tidigare. Men om qubitsen är för brusiga kanske dessa 4 000 qubits inte överträffar en konkurrents 100 utmärkta qubits. De kommande åren blir ett fascinerande lopp mellan olika filosofier inom kvantdatorer – och det är inte givet att fler qubits alltid vinner, om det inte kombineras med kvalitet och smart mjukvara.

Varför 4 000 qubits? Potentiella tillämpningar och utmaningar

Vad skulle en 4 000-qubit kvantdator faktiskt kunna göra, om den fungerar som tänkt? För kontext har dagens kvantdatorer (med tiotals eller några hundra qubits) ännu inte tydligt överträffat klassiska datorer i något praktiskt problem. IBM och andra tror att genom att nå tusentals qubits kommer vi in i zonen där användbar kvantfördel blir möjlig för vissa typer av problem tomorrowdesk.com. Här är några tillämpningar och effekter som ett 4 000-qubit system kan möjliggöra:

• Kemi och materialvetenskap: Kvantdatorer är särskilt lämpade för att simulera molekylära och atomära system. Även de största klassiska superdatorerna har svårt att exakt modellera beteendet hos komplexa molekyler och kemiska reaktioner. IBM-forskare påpekar att ”få områden kommer att få värde av kvantdatorer lika snabbt som kemin,” eftersom kvantmaskiner naturligt kan hantera den kvantmekaniska naturen hos kemiska interaktioner ibm.com. Ett system med 4 000 qubitar skulle potentiellt kunna simulera medelstora molekyler eller nya material med hög noggrannhet – vilket underlättar läkemedelsupptäckt, utveckling av nya material (för batterier, gödningsmedel, supraledare, etc.) och förståelse av komplexa kemiska processer. Detta är problem där klassiska metoder når en gräns på grund av exponentiell komplexitet. IBM förutspår att kvantdatorer år 2025 kommer att börja utforska användbara tillämpningar inom naturvetenskap som kemi ibm.com.
• Optimering och finans: Många verkliga problem – från logistik i leveranskedjor till portföljoptimering – handlar om att hitta den bästa lösningen bland astronomiskt många möjligheter. Kvantdatorer, med algoritmer som QAOA eller kvantannealing-tekniker, erbjuder nya sätt att angripa vissa optimeringsproblem. En maskin med tusentals qubitar skulle kunna hantera större problem eller leverera mer precisa lösningar än dagens enheter. IBMs VD Arvind Krishna har föreslagit att kvantdatorer kommer möjliggöra nya algoritmer för optimering som företag kan dra nytta av, och potentiellt bli en viktig konkurrensfördel för branscher som finans, energi och tillverkning thequantuminsider.com. Ett 4 000-qubitsystem skulle till exempel kunna ta sig an komplex riskanalys eller ruttoptimeringsproblem som klassiska algoritmer inte kan lösa inom rimlig tid.
• Maskininlärning och AI: Det pågår allt mer forskning om kvantmaskininlärning, där kvantdatorer kan påskynda vissa typer av maskininlärningsuppgifter eller erbjuda nya modelleringsmöjligheter. Med tusentals qubitar skulle kvantdatorer kunna börja implementera kvantneurala nätverksmodeller eller utföra snabbare linjär algebra-rutiner som ligger till grund för ML-algoritmer. IBM ser specifikt maskininlärning som ett testfall för kvanttillämpningar – och förväntar sig att kvantdatorer år 2025 kommer att användas för att utforska maskininlärningsfall tillsammans med klassisk ML, vilket möjligen kan förbättra hur vi känner igen mönster i data eller optimerar ML-modeller ibm.com. Ett praktiskt exempel kan vara kvantförbättrad feature selection eller klustring på komplexa datamängder, vilket kan påskyndas av kvantalgoritmer.
• Vetenskaplig forskning och “Grand Challenges”: Utöver riktade industrier skulle en kvantdator med 4 000 qubitar vara en välsignelse för grundläggande vetenskap. Den skulle kunna användas för att simulera scenarier inom högenergifysik, optimera design av kvantmaterial eller till och med undersöka frågor inom kryptografi och matematik. IBM har nämnt naturvetenskaper i bred bemärkelse – till exempel, problem inom fysik eller biologi som för närvarande är olösliga kan ge vika för en hybrid kvantmetod ibm.com. Tänk på att designa katalysatorer för koldioxidinfångning, eller analysera kvantsystem inom kärnfysik – detta är extremt komplexa beräkningar där en kvantdator kan ge nya insikter. IBMs egna forskare har pekat på tillämpningar inom kemi, optimering och maskininlärning som tidiga mål för kvantfördel ibm.com.

Det är det glänsande löftet – men hur är det med utmaningarna? En kvantdator med 4 000 qubitar kommer att möta allvarliga hinder:

• Brus och felfrekvenser: Dagens qubitar är felbenägna; de dekohererar (förlorar sitt kvanttillstånd) inom mikrosekunder och operationer (“grindar”) mellan qubitar är inte perfekta. Med bara 50–100 qubitar kan kvantalgoritmer bara köra en mycket kort sekvens av operationer innan fel tar över resultatet. Om du har tusentals qubitar, mångdubblas utmaningen med brus. Faktum är att sammankoppling av tre chip (som IBM planerar) kan introducera ännu mer fel på grund av något långsammare, mindre tillförlitliga operationer mellan chip ibm.com. IBM erkänner detta och utvecklar System Twos mjukvara för att vara “medveten” om arkitekturen – till exempel, för att schemalägga kritiska operationer på samma chip och noggrant hantera de långsammare operationerna mellan chip ibm.com. Utan felkorrigering (som inte kommer att vara fullt på plats till 2025) kommer IBM att förlita sig på felreducering: smarta knep för att minska felens påverkan. Detta inkluderar tekniker som probabilistisk felkansellering, där man avsiktligt introducerar extra brus för att lära sig om bruset och sedan klassiskt efterbehandlar resultaten för att ta bort fel spectrum.ieee.org. Dessa metoder är beräkningsmässigt kostsamma och inte perfekta, men IBMs forskning tyder på att vissa kan skalas upp till enheter av denna storlek spectrum.ieee.org. Ändå är hantering av brus den centrala frågan – det är anledningen till att kvantdatorer ännu inte har löst verkliga problem, och en maskin med 4 000 qubitar kommer bara att lyckas om IBM kan hålla felen tillräckligt i schack för att utföra djupa beräkningar.
• Felkorrigering & logiska qubitar: Den långsiktiga lösningen på brus är kvantfelkorrigering (QEC), vilket kommer att gruppera många fysiska qubitar till en logisk qubit som kan överleva fel. IBMs 4 000-qubitsystem kommer troligen fortfarande att verka i “NISQ”-regimen (Noisy Intermediate-Scale Quantum), vilket betyder att ingen storskalig felkorrigering sker än – det kommer helt enkelt inte att finnas tillräckligt med qubitar för att fullt ut felkorrigera alla 4 000. (Som perspektiv: att omvandla bara några tusen fysiska qubitar till ett fåtal logiska qubitar kan uppta hela maskinen.) Dock lägger IBM grunden för felkorrigering. Företaget har aktivt forskat på nya QEC-koder (till exempel en kvant-LDPC-kod som är mer qubiteffektiv än traditionella ytkoder) och snabba felavkodare thequantuminsider.com. Faktum är att IBM nyligen utökade sin färdplan till 2033, med tydlig prioritering på förbättringar av grindkvalitet och utveckling av felkorrigerade moduler efter 2025 newsroom.ibm.com. Superdatorn med 4 000 qubitar kan ses som en brygga: den är tänkt att vara tillräckligt stor för att göra vissa användbara saker med felmildring, samtidigt som IBM lär sig att implementera partiell felkorrigering i stor skala. IBM har till och med tillkännagivit en plan för en prototyp av en feltolerant kvantdator till 2029 hpcwire.com, vilket visar att felkorrigering verkligen står på deras agenda när 4 000-qubitsmilstolpen nås. Att uppnå fullt felkorrigerade (logiska) qubitar kommer dock att kräva storleksordningar fler qubitar eller mycket bättre qubitfidelitet – troligen en kombination av båda.
• Programvara och utvecklarverktyg: Även om du har en kvantmaskin med 4 000 qubitar behöver du programvara som effektivt kan använda den. Kvantalgoritmer måste mappas till denna komplexa hårdvara med flera chip. IBM adresserar detta med verktyg som Qiskit Runtime och Quantum Serverless-arkitektur. Dessa gör det möjligt för en användare att dela upp ett problem i mindre kvantkretsar, köra dem parallellt på olika kvantchip och sammanfoga resultaten med klassisk bearbetning ibm.com. Till exempel är “circuit knitting” en sådan teknik som IBM lyfter fram – att dela upp en stor krets i delar som passar på mindre processorer och sedan kombinera resultaten klassiskt ibm.com. Till 2025 planerar IBM att ha funktioner som dynamiska kretsar (där mätresultat kan påverka framtida operationer i realtid) och inbyggd felundertryckning på sin molnplattform ibm.com. Utmaningen blir att göra allt detta utvecklarvänligt. IBM vill att kvantdatorer ska vara tillgängliga så att data scientists och domänexperter (inte bara kvantfysikdoktorer) kan utnyttja dessa 4 000 qubitar ibm.com. Att uppnå en bra abstraktion – där en användare till exempel kan anropa en högnivåfunktion för att simulera en molekyl och systemet räknar ut hur 4 000 qubitar ska användas – blir avgörande för praktisk nytta. IBMs strategi här är konceptet quantum middleware och en “app store” med kvantprimitiver: färdigbyggda funktioner för vanliga uppgifter som att sampla sannolikhetsfördelningar eller uppskatta egenskaper hos system ibm.com. Om de lyckas kan en kemist år 2025 slippa känna till hårdvarans detaljer; de kan bara använda IBMs programvara för att utnyttja kraften hos 4 000 qubitar för sin simulering.
• Fysisk infrastruktur: Att skala upp till tusentals qubits är inte bara en beräkningsutmaning, utan ett ingenjörsmaraton. Kvantprocessorer måste kylas ner till millikelvin-temperaturer – kallare än rymden. IBM var tvungna att designa ett nytt utspädningskylskåp (IBM Quantum System Two) som är större och mer modulärt än de tidigare för att rymma flera chip och all deras styrningskablar techmonitor.ai. Kylskåpet, elektroniken och kablaget blir allt mer komplext ju fler qubits man lägger till. Tusentals qubits innebär tusentals mikrovågsstyrningslinjer, sofistikerad filtrering för att förhindra att värme och brus läcker till qubitsen, och enorma datamängder från qubit-avläsningar. IBMs ingenjörer har jämfört komplexiteten i att skala kvantsystem med de tidiga superdatorerna eller rymduppdrag. Till 2025 förväntar sig IBM att ha “tagit bort de största hindren för skalning” via modulär hårdvara och tillhörande styrnings-elektronik ibm.com – men det är värt att notera att IBM just nu stöter på dessa gränser. System Two i New York är i princip en prototyp för att hantera sådan komplexitet newsroom.ibm.com. IBM installerar också ett System Two i Europa (i samarbete med Baskiens regering i Spanien) till 2025 tomorrowdesk.com, vilket kommer att testa hur denna toppmoderna infrastruktur kan replikeras utanför IBMs eget laboratorium. Framgången för dessa installationer kommer att vara ett viktigt bevis på att rördragningen och kablaget för en kvantsuperdator kan göras tillförlitligt och underhållsbart.

Mot bakgrund av dessa utmaningar tonar experter ner hypen genom att påpeka att en 4 000-qubit IBM-maskin sannolikt kommer att vara ett mycket specialiserat verktyg. Den kan överträffa klassiska superdatorer på specifika problem (kvantkemisimuleringar, vissa optimeringar eller maskininlärningsuppgifter som nämnts), uppnå kvantfördel eller till och med glimtar av kvantöverlägsenhet i användbara sammanhang. Men den kommer inte omedelbart att göra klassiska datorer föråldrade. Faktum är att för många uppgifter kommer klassiska superdatorer och GPU:er fortfarande vara snabbare eller mer praktiska. IBMs egen färdplan erkänner denna synergi: kvantsuperdatorn är tänkt att arbeta med klassisk HPC, där var och en gör det den är bäst på tomorrowdesk.com. Så vi bör se 4 000-qubit-systemet som en av de första verkliga “kvantacceleratorerna” – något du använder tillsammans med klassisk datorkraft för att ta itu med de riktigt svåra problemen som klassiska maskiner inte klarar av på egen hand. Det är ett betydande steg mot den ultimata drömmen om feltolerant kvantdator, men det är inte slutmålet.

Vägen framåt: IBMs kvantfärdplan efter 2025

IBMs superdator med över 4 000 qubits är en viktig milstolpe, men det är en del av en längre färdplan som sträcker sig in på 2030-talet. IBM har offentligt sagt att de till 2025, med denna kvantcentrerade superdator på plats, kommer att ha “tagit bort några av de största hindren för att skala kvantmaskinvara” ibm.com. Men utvecklingen slutar inte där. År 2025 och framåt kommer IBMs fokus alltmer att skifta mot skalning med kvalitet – att förbättra qubit-fidelitet, felkorrigering och komplexiteten hos kretsar som kan köras.

Faktum är att i slutet av 2023 uppdaterade IBM sin Quantum Development Roadmap hela vägen till 2033. Ett viktigt mål: omkring 2026–2027, införa felkorrigerade kvantoperationer på sina system, och gå mot “avancerade felkorrigerade system” senare under decenniet newsroom.ibm.com. IBM prioriterar förbättringar i grindfidelitet (minskning av felfrekvens) så att större kvantkretsar (med tusentals operationer) blir möjliga newsroom.ibm.com. Detta tyder på att efter att ha nått målet för antal qubits, kommer IBM att satsa ännu mer på att göra varje qubit bättre och gradvis integrera felkorrigering. Ett konkret exempel är IBMs arbete med nya felkorrigerande koder som Quantum LDPC-koder och snabbare avkodningsalgoritmer, som syftar till att hantera fel mer effektivt än dagens ytkoder thequantuminsider.com. Det talas också om en IBM-processor med kodnamnet “Loon” runt 2025, avsedd att testa komponenter i en felkorrigerad arkitektur (som moduler för att koppla samman qubits för en specifik QEC-kod) hpcwire.com. Till 2029 siktar IBM på att bygga en demonstrerbar feltolerant kvantprototyp, i linje med konkurrenter som Google när det gäller det ultimata målethpcwire.com.

På hårdvarufronten kommer IBM sannolikt att fortsätta sin fågelinspirerade processorserie även efter Kookaburra. Färdplanen efter 2025 är inte helt offentlig, men IBM har antytt att de utforskar ännu större multichipsystem och kanske hybridteknologier. Till exempel innebär IBMs vision av en kvantcentrerad superdator så småningom kvantkommunikationslänkar som kan koppla samman chipkluster över avstånd, inte bara i samma kylskåp newsroom.ibm.com. Vi kan få se IBM införa optiska fiberförbindelser eller andra metoder för att länka kvantprocessorer i olika kryostater – likt ett kvantbaserat lokalt nätverk. Detta skulle bana väg för tiotusentals eller till och med miljoner kubiter på lång sikt, vilket IBM medger kommer att behövas för att lösa de svåraste problemen (och genomföra fullständig felkorrigering) newsroom.ibm.com, insidehpc.com. Med IBMs egna ord bör deras modulära och nätverksbaserade tillvägagångssätt möjliggöra skalning till ”hundratusentals kubiter” över tid newsroom.ibm.com. 4 000-kubitsystemet är i princip den första implementeringen av en kvantsuperdatorarkitektur som kan växa genom att länka fler moduler.

IBMs bredare färdplan innefattar också att växa kvantekosystemet. Företaget investerar i utbildning, partnerskap och molntillgänglighet så att det finns en redo användarbas när hårdvaran är klar. Till exempel har IBM samarbetat med nationella laboratorier, universitet och till och med regionala regeringar (som i Japan, Korea, Tyskland och Spanien) för att hysa kvantsystem och stimulera lokal utveckling. Planen att installera Europas första IBM Quantum System Two i Spanien till 2025 tomorrowdesk.com är en del av den strategin – att få fler att arbeta praktiskt med avancerad kvanthårdvara. IBMs ledning förutspår att kvantdatorer kommer att bli en avgörande konkurrensfördel för företag under de kommande åren thequantuminsider.com, och de vill vara i centrum av den framväxande kvantekonomin.

Sammanfattningsvis representerar IBMs kvant-superdatorprojekt med över 4 000 qubitar ett historiskt språng i skala för kvantdatorer. Om det lyckas kommer det att markera övergången från isolerade, experimentella kvantprocessorer till nätverksanslutna kvantsystem som närmar sig tröskeln för praktisk användbarhet. Detta projekt befinner sig i skärningspunkten mellan banbrytande fysik, ingenjörskonst och datavetenskap. Det är lika mycket en mjukvarubedrift som en hårdvarubedrift, och kräver nya sätt att hantera och programmera en helt ny typ av superdator. Världen följer noga – inte bara för det rekordhöga antalet qubitar, utan för om IBM kan visa användbara resultat med denna maskin som överträffar vad klassiska datorer kan göra.

I mitten av 2025 står IBM på randen till denna prestation: hårdvarudesignen är till stor del klar, initiala prototyper körs, och företaget tävlar om att integrera allt till en fungerande superdator. Framgång är inte garanterad, men drivkraften och framstegen hittills är obestridliga. Även konkurrenter och skeptiker skulle hålla med om att IBM dramatiskt har drivit fältet framåt. Medan vi väntar på det fullständiga avtäckandet av IBMs kvantsuperdator är en sak tydlig – vi går in i ett nytt kapitel i datorernas historia. Som IBM själv proklamerade är den kommande kvantcentrerade superdatorn redo att bli ”en oumbärlig teknik för dem som löser de svåraste problemen, de som bedriver den mest banbrytande forskningen och de som utvecklar den mest avancerade teknologin” insidehpc.com.

De kommande åren kommer att visa om det löftet infrias, men om IBMs satsning går hem kan 4 000 qubitar verkligen förändra datorvärlden för alltid – och öppna dörren till lösningar på problem vi en gång trodde var omöjliga, samt inleda kvantdatorernas tidsålder.

Källor:

• IBM Newsroom: IBM Quantum roadmap och planer för system med över 4 000 qubitar newsroom.ibm.com
• IBM Research Blog: Quantum roadmap-uppdatering för kvantcentrerad superdator (2024) ibm.com
• IBM Quantum Summit 2023 Pressmeddelande newsroom.ibm.com
• TechMonitor: IBM presenterar kvantsuperdator som kan nå 4 000 qubitar till 2025 techmonitor.ai
• IEEE Spectrum: IBMs mål: en 4 000-qubits processor till 2025 (analys av färdplan och utmaningar) spectrum.ieee.org
• InsideHPC: IBM på Think 2022 – visionen om kvantcentrerad superdator insidehpc.com
• The Quantum Insider: Färdplaner för kvantdatorer hos stora aktörer (IBM, Google, IonQ, etc.) thequantuminsider.com
• TomorrowDesk: Översikt av IBMs mål om kvantsuperdator 2025 och modulär design tomorrowdesk.com
• Post-Quantum (branschblogg): Om antalet qubits som krävs för att knäcka RSA-2048-kryptering postquantum.com
• TechMonitor: Citat från IBMs Dr. Darío Gil och statistik om IBM Quantum Network techmonitor.ai