Ο κβαντικός υπερυπολογιστής 4.000 qubit της IBM θα μπορούσε να αλλάξει για πάντα την πληροφορική

Η IBM σχεδιάζει έναν κβαντικό υπερυπολογιστή με πάνω από 4.000 qubits έως το 2025, επιτυγχάνοντας αυτό με τη διασύνδεση τριών τσιπ Kookaburra των 1.386 qubits για να σχηματίσει ένα σύστημα 4.158 qubits.
Η αρθρωτή πλατφόρμα Quantum System Two, που έκανε το ντεμπούτο της το 2023, έχει σχεδιαστεί για να φιλοξενεί πολλαπλά τσιπ και διαθέτει κρυογενικό ψυγείο και προηγμένα ηλεκτρονικά ελέγχου.
Στα τέλη του 2023 η IBM ενεργοποίησε το πρώτο Quantum System Two, λειτουργώντας τρεις επεξεργαστές Heron των 133 qubits παράλληλα.
Μέχρι το τέλος του 2025 η IBM σκοπεύει να φιλοξενήσει τρία τσιπ Kookaburra στο System Two, δημιουργώντας μια ενιαία μηχανή με 4.158 qubits.
Η IBM χρησιμοποιεί συνδέσμους μικρής εμβέλειας μεταξύ των τσιπ και κρυογενικούς συνδέσμους για να συνδέσει τα τσιπ σε ένα ενιαίο υπολογιστικό σύνολο.
Η εταιρεία ονομάζει αυτή την προσέγγιση quantum-centric supercomputing, υφαίνοντας QPUs με CPUs και GPUs σε ένα ενοποιημένο υπολογιστικό σύνολο.
Το Qiskit Runtime και το circuit knitting επιτρέπουν στους προγραμματιστές να εκτελούν μεγάλα κβαντικά φορτία εργασίας σε πολλαπλά τσιπ με ενσωματωμένη μετρίαση σφαλμάτων.
Το σύστημα με πάνω από 4.000 qubits θα λειτουργεί στο καθεστώς NISQ το 2025, βασιζόμενο στη μετρίαση σφαλμάτων αντί για πλήρη κβαντική διόρθωση σφαλμάτων.
Οι ειδικοί εκτιμούν ότι το σπάσιμο του RSA-2048 θα απαιτούσε περίπου 4.000 λογικά qubits με διόρθωση σφαλμάτων, πιθανότατα εκατομμύρια φυσικά qubits.
Ανταγωνιστές περιλαμβάνουν τη Google που στοχεύει σε ανθεκτική στα σφάλματα κβαντική υπολογιστική έως το 2029, την IonQ που επιδιώκει αλγοριθμικά qubits, την Quantinuum που εστιάζει στην υψηλή πιστότητα και ανθεκτικότητα στα σφάλματα, και την D-Wave που προσφέρει σύστημα ανόπτησης με πάνω από 5.000 qubits.

Η IBM βρίσκεται στο χείλος μιας επανάστασης στην κβαντική υπολογιστική: ένα «κβαντικό υπερυπολογιστή» με πάνω από 4.000 qubits έως το 2025. Το φιλόδοξο σχέδιο του τεχνολογικού κολοσσού – μέρος μιας ευρύτερης κβαντικής στρατηγικής – υπόσχεται να επαναστατικοποιήσει την υπολογιστική αντιμετωπίζοντας προβλήματα που οι σημερινοί ταχύτεροι υπερυπολογιστές δεν μπορούν να διαχειριστούν. Σε αυτή την αναφορά, θα αναλύσουμε το κβαντικό ταξίδι της IBM, το σχεδιασμό του συστήματος με πάνω από 4.000 qubits, τις απόψεις των ειδικών (και το hype), πώς συγκρίνεται με ανταγωνιστές όπως η Google και η IonQ, και τι θα μπορούσε να σημαίνει μια μηχανή 4.000 qubits για τον κόσμο.

Ιστορικό: Η αναζήτηση της IBM για την Κβαντική Υπολογιστική

Η IBM υπήρξε πρωτοπόρος στην κβαντική υπολογιστική, ηγούμενη τόσο στην ανάπτυξη υλικού όσο και λογισμικού. Το 2020, η IBM παρουσίασε έναν οδικό χάρτη για την κβαντική και από τότε έχει πετύχει κάθε ορόσημο. Το 2021, παρουσίασαν τον επεξεργαστή Eagle με 127 qubits – ένα τσιπ τόσο πολύπλοκο που τα κυκλώματά του «δεν μπορούν να προσομοιωθούν με ακρίβεια σε έναν κλασικό υπολογιστή» insidehpc.com. Το 2022, η IBM παρουσίασε το τσιπ Osprey με 433 qubits, ένα μεγάλο άλμα από το Eagle σε αριθμό qubits techmonitor.ai. Πιο πρόσφατα, στα τέλη του 2023, η IBM έφτασε το ορόσημο των 1.121 qubits με τον επεξεργαστή της Condor – τον πρώτο κβαντικό επεξεργαστή που ξεπέρασε το φράγμα του χιλιάρικου σε qubitstomorrowdesk.com. Καθένα από αυτά τα επιτεύγματα έθεσε τα θεμέλια για την κλιμάκωση σε χιλιάδες qubits.

Αλλά η στρατηγική της IBM δεν αφορά μόνο την προσθήκη περισσότερων qubits. Η εταιρεία δίνει έμφαση σε μια προσέγγιση πλήρους στοίβας: ανθεκτικό κβαντικό υλικό, έξυπνο κβαντικό λογισμικό και ένα ευρύ οικοσύστημα χρηστών και συνεργατών newsroom.ibm.com, insidehpc.com. Το 2016, η IBM έθεσε τον πρώτο κβαντικό υπολογιστή στο cloud για δημόσια χρήση, και σήμερα πάνω από 200 οργανισμοί και 450.000 χρήστες είναι συνδεδεμένοι με τις κβαντικές υπηρεσίες της IBM μέσω του cloud techmonitor.ai. Το λογισμικό πλαίσιο της IBM (Qiskit) και το περιβάλλον Qiskit Runtime επιτρέπουν στους προγραμματιστές να εκτελούν κβαντικά προγράμματα αποδοτικά, με ενσωματωμένα εργαλεία για τη μείωση σφαλμάτων και τον συντονισμό υβριδικών κβαντικών-κλασικών φορτίων εργασίας newsroom.ibm.com, insidehpc.com. Αυτή η στενή ενσωμάτωση υλικού και λογισμικού – μαζί με ένα δίκτυο ακαδημαϊκών και βιομηχανικών συνεργατών – είναι κεντρική για τον ευρύτερο στόχο της IBM: να φέρει την χρήσιμη κβαντική υπολογιστική στον κόσμο, και όχι μόνο σε εργαστηριακές επιδείξεις.

Η IBM αρέσκεται να αποκαλεί αυτό το όραμα «κβαντοκεντρική υπερυπολογιστική». Η ιδέα είναι να συνυφάνει τελικά κβαντικούς επεξεργαστές (QPUs) με κλασικούς CPUs και GPUs σε ένα απρόσκοπτο υπολογιστικό ύφασμα insidehpc.com. Όπως οι σύγχρονοι υπερυπολογιστές συνδυάζουν CPUs και AI accelerators για να διαχειριστούν AI φορτία εργασίας, έτσι και η IBM βλέπει τους μελλοντικούς υπερυπολογιστές να συνδυάζουν κβανικές και κλασικές μηχανές για να αντιμετωπίσουν προβλήματα που καμία δεν θα μπορούσε να λύσει μόνη της insidehpc.com. Με τα λόγια του Dr. Jay Gambetta, αντιπροέδρου κβαντικής της IBM, «Τώρα, η IBM εγκαινιάζει την εποχή της κβαντοκεντρικής υπερυπολογιστικής, όπου οι κβαντικοί πόροι – QPUs – θα συνυφαίνονται με CPUs και GPUs σε ένα υπολογιστικό ύφασμα», με στόχο την επίλυση «των πιο δύσκολων προβλημάτων» στην επιστήμη και τη βιομηχανία insidehpc.com. Είναι ένα τολμηρό όραμα που ξεπερνά την απλή κατασκευή ενός ταχύτερου υπολογιστή· αφορά την αλλαγή της ίδιας της μορφής της υπολογιστικής.

Σχεδιασμός ενός Κβαντικού Υπερυπολογιστή με 4.000+ Qubit

Πώς κατασκευάζετε έναν κβαντικό υπολογιστή με πάνω από 4.000 qubit; Η απάντηση της IBM: αρθρωτότητα. Αντί για ένα τεράστιο τσιπ, η IBM συνδέει πολλαπλά μικρότερα κβαντικά τσιπ σε ένα σύστημα – λίγο σαν τη διασύνδεση κόμβων σε έναν υπερυπολογιστή. Η επόμενη γενιά πλατφόρμας της εταιρείας, που ονομάζεται IBM Quantum System Two, έχει σχεδιαστεί ειδικά για αυτό. Παρουσιάστηκε το 2023, το System Two είναι το πρώτο αρθρωτό σύστημα κβαντικής υπολογιστικής της IBM, με έναν υπερσύγχρονο κρυογενή ψυκτήρα και ηλεκτρονικά ελέγχου που μπορούν να υποστηρίξουν πολλαπλούς κβαντικούς επεξεργαστές ταυτόχρονα techmonitor.ai, newsroom.ibm.com. Είναι το φυσικό “σπίτι” που θα φιλοξενήσει τον επερχόμενο στόλο διασυνδεδεμένων τσιπ της IBM, όλα ψυχόμενα κοντά στο απόλυτο μηδέν. Συνδυάζοντας τσιπ, η IBM μπορεί να κλιμακώσει γρήγορα τον αριθμό των qubit χωρίς να χρειάζεται να κατασκευάσει αδύνατα μεγάλα μεμονωμένα τσιπ – μια προσέγγιση κρίσιμη για το άλμα από εκατοντάδες σε χιλιάδες qubit.

Εικόνα: Το όραμα της IBM για έναν κβαντικό υπερυπολογιστή είναι να συνδέσει πολλαπλά κβαντικά τσιπ σε ένα σύστημα. Το 2025, η IBM σχεδιάζει να παρουσιάσει το “Kookaburra”, έναν επεξεργαστή 1.386 qubit με συνδέσμους κβαντικής επικοινωνίας· τρία τσιπ Kookaburra μπορούν να συνδεθούν σε ένα ενιαίο σύστημα 4.158 qubit ibm.com. Αυτή η αρθρωτή αρχιτεκτονική επιτρέπει στην IBM να κλιμακώσει σε χιλιάδες qubit διασυνδέοντας μικρότερους επεξεργαστές αντί να βασίζεται σε ένα τεράστιο τσιπ.

Η καρδιά του σχεδίου της IBM για 4.000 qubits είναι η επερχόμενη οικογένεια επεξεργαστών της με κωδικές ονομασίες που σχετίζονται με πουλιά. Το 2024, αναμένεται η IBM να παρουσιάσει το «Flamingo», ένα chip με 462 qubits σχεδιασμένο για να δοκιμάσει την κβαντική επικοινωνία μεταξύ chips ibm.com. Η IBM σχεδιάζει να επιδείξει τον σχεδιασμό του Flamingo συνδέοντας τρεις επεξεργαστές Flamingo σε ένα σύστημα με 1.386 qubits – ουσιαστικά δείχνοντας ότι πολλαπλά chips μπορούν να λειτουργούν μαζί σαν να ήταν ένα ibm.com. Έπειτα έρχεται το μεγάλο: το 2025, η IBM θα παρουσιάσει το «Kookaburra», έναν επεξεργαστή με 1.386 qubits σχεδιασμένο για αρθρωτή κλιμάκωση ibm.com. Χάρη στις ενσωματωμένες συνδέσεις επικοινωνίας, τρία chips Kookaburra μπορούν να διασυνδεθούν για να σχηματίσουν μια ενιαία μηχανή με 4.158 qubits ibm.com. Με τα λόγια της IBM, αυτό θα είναι ο πρώτος κβαντικός-κεντρικός υπερυπολογιστής, ξεπερνώντας το ορόσημο των 4.000 qubits.

Πώς μοιάζει λοιπόν αυτή η αρχιτεκτονική; Ουσιαστικά, η IBM χρησιμοποιεί συνδέσμους μικρής εμβέλειας μεταξύ chips και κρυογενικούς συνδέσμους για να ενώσει qubits σε διαφορετικά chips spectrum.ieee.org. Σκεφτείτε κάθε chip ως ένα «πλακίδιο» από qubits· οι σύνδεσμοι επιτρέπουν στα γειτονικά πλακίδια να μοιράζονται κβαντική πληροφορία, και ειδικά καλώδια μικροκυμάτων μπορούν να συνδέσουν chips που βρίσκονται λίγο πιο μακριά spectrum.ieee.org. Η πρόκληση είναι να συμπεριφέρονται τα qubits σε ξεχωριστά chips σχεδόν σαν να βρίσκονται στο ίδιο chip – κάτι που δεν είναι εύκολο, αφού οι κβαντικές καταστάσεις είναι εύθραυστες. Η IBM έχει αναπτύξει νέα τεχνολογία συνδέσμων για να διατηρεί τα διεμπλεκόμενα qubits συνεκτικά μεταξύ των chips tomorrowdesk.com. Το System Two παρέχει το υπερ-κρύο, χωρίς δονήσεις περιβάλλον και μια ευέλικτη διάταξη καλωδίωσης για να υποστηρίξει αυτά τα δίκτυα πολλαπλών chips techmonitor.ai. Όλα αυτά ενορχηστρώνονται από ένα «έξυπνο» επίπεδο ελέγχου (λογισμικό και κλασικό υπολογιστή) που κατευθύνει τις κβαντικές λειτουργίες στα διάφορα chips, κάνοντάς τα να λειτουργούν συντονισμένα insidehpc.com.

Το χρονοδιάγραμμα της IBM προβλέπει ότι το σύστημα με πάνω από 4.000 qubits θα είναι λειτουργικό κάποια στιγμή το 2025 techmonitor.ai. Στην πραγματικότητα, τα πρώτα κομμάτια έχουν ήδη τοποθετηθεί. Στα τέλη του 2023, στη Σύνοδο Κβαντικής Τεχνολογίας της IBM, η IBM ενεργοποίησε το πρώτο Quantum System Two, το οποίο λειτουργεί με τρεις μικρότερους επεξεργαστές “Heron” των 133 qubits σε παράλληλη λειτουργία newsroom.ibm.com. Αυτό λειτούργησε ως πρωτότυπο: το Heron είναι ένα τσιπ σχετικά χαμηλού αριθμού qubits αλλά με σημαντικά βελτιωμένα ποσοστά σφαλμάτων, και η IBM χρησιμοποίησε το System Two για να δείξει ότι μπορεί να λειτουργεί πολλαπλούς επεξεργαστές μαζί ως ένα ενιαίο σύστημα newsroom.ibm.com. Τον επόμενο χρόνο ή δύο, η IBM θα το αναβαθμίσει – αντικαθιστώντας τα τσιπ με μεγαλύτερα (όπως το Flamingo και στη συνέχεια το Kookaburra) και συνδέοντας περισσότερα από αυτά. Ο στόχος είναι ότι μέχρι το τέλος του 2025, το IBM Quantum System Two θα φιλοξενεί τρία τσιπ Kookaburra και έτσι >4.000 συνδεδεμένα qubits σε ένα μηχάνημα techmonitor.ai. Κοιτάζοντας ακόμα πιο μπροστά, η IBM οραματίζεται ακόμη και τη διασύνδεση πολλαπλών System Two: για παράδειγμα, η σύνδεση τριών τέτοιων συστημάτων θα μπορούσε να αποδώσει ένα σύμπλεγμα με πάνω από 16.000 qubits στο μέλλον techmonitor.ai. Με άλλα λόγια, τα 4.000 qubits δεν είναι το τελικό στάδιο – είναι ένα ενδιάμεσο βήμα προς ακόμη μεγαλύτερες κβαντικές μηχανές που θα κατασκευαστούν με τη διασύνδεση μονάδων, όπως ακριβώς οι κλασικοί υπερυπολογιστές επεκτείνονται με πολλαπλούς κόμβους.

Το Όραμα της IBM: Απόψεις από Ηγέτες της Κβαντικής Τεχνολογίας

Η ομάδα κβαντικής τεχνολογίας της IBM είναι κατανοητά ενθουσιασμένη – και αισιόδοξη – για το τι σημαίνει αυτό το άλμα των 4.000 qubits. Ο Διευθυντής Έρευνας της IBM, Dr. Darío Gil, έχει συχνά μιλήσει για την είσοδο σε μια νέα εποχή πρακτικής κβαντικής υπολογιστικής. «Η υλοποίηση του οράματός μας μας έχει δώσει ξεκάθαρη ορατότητα στο μέλλον της κβαντικής τεχνολογίας και στο τι θα χρειαστεί για να φτάσουμε στην εποχή της πρακτικής κβαντικής υπολογιστικής», δήλωσε ο Gil, καθώς η IBM επέκτεινε τον οδικό της χάρτη newsroom.ibm.com. Με τον στόχο των 4.000+ qubits να διαφαίνεται, το παρουσίασε ως την έναρξη «μιας εποχής κβαντοκεντρικών υπερυπολογιστών που θα ανοίξουν μεγάλους και ισχυρούς υπολογιστικούς χώρους» για προγραμματιστές, συνεργάτες και πελάτες newsroom.ibm.com. Με άλλα λόγια, η IBM το βλέπει ως την αυγή των κβαντικών υπολογιστών που δεν είναι απλώς εργαστηριακά πειράματα, αλλά ισχυρά εργαλεία για χρήση στον πραγματικό κόσμο.

Ο Jay Gambetta, IBM Fellow και Αντιπρόεδρος Κβαντικής Τεχνολογίας, χαρακτήρισε το 2023 ως ένα σημαντικό σημείο καμπής – τη στιγμή που η έννοια του κβαντοκεντρικού υπερυπολογιστή έγινε πραγματικότητα σε πρωτότυπη μορφή techmonitor.ai. Σύμφωνα με τον Gambetta, το να έχεις απλώς περισσότερα qubits δεν αρκεί· «η κβαντοκεντρική υπερυπολογιστική θα απαιτήσει περισσότερα από απλώς πολλά qubits», εξήγησε – χρειάζεται επίσης μεγαλύτερο βάθος κυκλωμάτων και στενή ενσωμάτωση με κλασικά συστήματα techmonitor.ai. Αυτό αντικατοπτρίζει την έμφαση της IBM στην ποιότητα των qubits και στην απρόσκοπτη σύζευξη κβαντικής και κλασικής υπολογιστικής. «Η αποστολή μας είναι να φέρουμε την χρήσιμη κβαντική υπολογιστική στον κόσμο», δήλωσε ο Gambetta. «Θα συνεχίσουμε να προσφέρουμε την καλύτερη πλήρη κβαντική πλατφόρμα στη βιομηχανία — και είναι στο χέρι της βιομηχανίας να αξιοποιήσει αυτά τα συστήματα» techmonitor.ai. Το μήνυμα: η IBM θα παραδώσει το υλικό και το λογισμικό, και περιμένει από τις επιχειρήσεις και τους ερευνητές να αρχίσουν να κάνουν σημαντικά πράγματα με αυτό.

Στη Σύνοδο Κορυφής Quantum 2023, η ομάδα της IBM υιοθέτησε έναν αισιόδοξο τόνο σχετικά με την ωριμότητα της τεχνολογίας. «Βρισκόμαστε σταθερά στην εποχή όπου οι κβαντικοί υπολογιστές χρησιμοποιούνται ως εργαλείο για την εξερεύνηση νέων συνόρων της επιστήμης», παρατήρησε ο Dr. Darío Gil, σημειώνοντας ότι οι κβαντικές μηχανές δεν είναι πλέον απλώς περιέργειες newsroom.ibm.com. Τόνισε την πρόοδο της IBM στην κλιμάκωση αυτών των συστημάτων μέσω αρθρωτού σχεδιασμού και υποσχέθηκε να «αυξήσουμε περαιτέρω την ποιότητα μιας κβαντικής τεχνολογικής στοίβας χρηστικής κλίμακας – και να τη θέσουμε στα χέρια των χρηστών και συνεργατών μας που θα ωθήσουν τα όρια πιο σύνθετων προβλημάτων» newsroom.ibm.com. Ουσιαστικά, καθώς η IBM αυξάνει τα qubits, εργάζεται επίσης για να βελτιώσει την πιστότητα των qubit και την “ευφυΐα” του λογισμικού, ώστε αυτά τα χιλιάδες qubits να μπορούν πραγματικά να εκτελούν χρήσιμη εργασία σε σύνθετα προβλήματα.

Η IBM χρησιμοποιεί ακόμη και μια ζωντανή μεταφορά για την επερχόμενη αλλαγή. Η εταιρεία παρομοιάζει τη μετάβαση από τους σημερινούς αναδυόμενους κβαντικούς υπολογιστές στον κβαντικό υπερυπολογιστή του 2025 με το «να αντικαθιστάς τους χάρτες χαρτιού με δορυφόρους GPS» στην πλοήγηση ibm.com. Είναι μια παραστατική εικόνα: οι κβαντικοί υπερυπολογιστές θα μπορούσαν να μας καθοδηγήσουν σε υπολογιστικά προβλήματα με έναν θεμελιωδώς νέο τρόπο, όπως το GPS επαναπροσδιόρισε τον τρόπο που βρίσκουμε το δρόμο μας. Το αν η πραγματικότητα θα ανταποκριθεί στην αισιοδοξία της IBM μένει να φανεί, αλλά δεν υπάρχει αμφιβολία ότι τα κορυφαία μυαλά της IBM πιστεύουν ότι βρίσκονται στο κατώφλι κάποιου μεγάλου επιτεύγματος.

Τι λένε οι ειδικοί: Υπερβολή και έλεγχος πραγματικότητας

Η ανακοίνωση της IBM για τα 4.000 qubits έχει προκαλέσει μεγάλο θόρυβο, αλλά εξωτερικοί ειδικοί συχνά μας υπενθυμίζουν να διατηρούμε ρεαλιστικές προσδοκίες. Ένα βασικό σημείο που τονίζουν: τα περισσότερα qubits από μόνα τους δεν εγγυώνται χρήσιμα αποτελέσματα. Τα σημερινά κβαντικά bits είναι «θορυβώδη» – επιρρεπή σε σφάλματα – οπότε η απλή σύνδεση χιλιάδων ατελών qubits δεν λύνει μαγικά τα προβλήματα αν αυτά τα qubits δεν μπορούν να διατηρήσουν τη συνοχή τους. IEEE Spectrum σημείωσε ότι το σχέδιο της IBM θα πρέπει να συνοδεύεται από ένα «ευφυές λογισμικό επίπεδο» για τη διαχείριση σφαλμάτων και τον συντονισμό του υβριδικού κβαντικού-κλασικού φόρτου εργασίας spectrum.ieee.org. Στην πραγματικότητα, μια ισχυρή νέα στοίβα λογισμικού μπορεί να είναι «το κλειδί για να γίνει κάτι χρήσιμο» με έναν επεξεργαστή 4.000 qubits, διαχειριζόμενη τη μείωση σφαλμάτων και διαχωρίζοντας τα καθήκοντα μεταξύ του κβαντικού υλικού και των κλασικών συνεπεξεργαστών spectrum.ieee.org. Εν ολίγοις, ο απλός αριθμός qubit δεν είναι το παν – το πώς χρησιμοποιείς και ελέγχεις αυτά τα qubits είναι εξίσου κρίσιμο.

Ορισμένοι παρατηρητές της βιομηχανίας επισημαίνουν επίσης το χάσμα μεταξύ των φυσικών qubits και των λογικών qubits. Ένα λογικό qubit είναι ένα qubit με διόρθωση σφαλμάτων, ουσιαστικά ένα σύμπλεγμα από πολλά φυσικά qubits που συνεργάζονται για να λειτουργήσουν ως ένα πολύ αξιόπιστο qubit. Οι ειδικοί εκτιμούν ότι για να σπάσει η σύγχρονη κρυπτογράφηση (όπως τα 2048-bit RSA κλειδιά που προστατεύουν την ασφάλεια στο διαδίκτυο) θα απαιτούνταν περίπου 4.000 λογικά qubits με διόρθωση σφαλμάτων – κάτι που στην πράξη μπορεί να σημαίνει εκατομμύρια φυσικά qubits, δεδομένων των σημερινών επιβαρύνσεων για τη διόρθωση σφαλμάτων postquantum.com. Όπως το έθεσε ένας αναλυτής ασφαλείας, «4.000 λογικά qubits δεν είναι το ίδιο με 4.000 πραγματικά qubits» – ένας πλήρως διορθωμένος ως προς τα σφάλματα κβαντικός υπολογιστής με χιλιάδες λογικά qubits παραμένει ένα μακρινό όνειρο postquantum.com. Το μηχάνημα των 4.000+ qubits της IBM θα είναι πολύ μακριά από αυτό το ιδανικό της ανοχής σε σφάλματα· θα αποτελείται από φυσικά qubits που απαιτούν έξυπνες τεχνικές μετριασμού σφαλμάτων για να είναι χρήσιμα. Οι ερευνητές σπεύδουν να προειδοποιήσουν ότι δεν πρέπει να περιμένουμε από αυτό το μηχάνημα να σπάσει, για παράδειγμα, την κρυπτογράφηση του διαδικτύου ή να λύσει κάθε άλυτο πρόβλημα από τη μια μέρα στην άλλη.

Παρόλα αυτά, ο φιλόδοξος οδικός χάρτης της IBM την τοποθετεί μπροστά από πολλούς ανταγωνιστές στην κούρσα των qubits, και ορισμένοι ειδικοί επαινούν τη μονάδα προσέγγισης ως έναν πραγματιστικό τρόπο κλιμάκωσης. «Πιστεύουμε ότι οι κλασικοί πόροι μπορούν πραγματικά να ενισχύσουν ό,τι μπορείς να κάνεις με το κβαντικό και να αξιοποιήσεις στο έπακρο αυτόν τον κβαντικό πόρο», σημείωσε ο Blake Johnson, επικεφαλής της Quantum Platform της IBM, τονίζοντας την ανάγκη για ενορχήστρωση μεταξύ κβαντικής και κλασικής υπολογιστικής για την αξιοποίηση αυτών των μεγάλων συστημάτων spectrum.ieee.org. Αυτό το συναίσθημα επαναλαμβάνεται ευρέως: το μέλλον είναι η «κβαντική-συν-κλασική» συνεργασία.

Ανταγωνιστικά Οράματα: IBM vs. Google, IonQ και άλλοι

Η IBM δεν είναι μόνη της στην κούρσα της κβαντικής τεχνολογίας, αλλά η στρατηγική της διαφέρει από αυτήν άλλων μεγάλων παικτών. Η Google, για παράδειγμα, έχει εστιάσει λιγότερο στους βραχυπρόθεσμους αριθμούς qubit και περισσότερο στην επίτευξη ενός πλήρως διορθωμένου ως προς τα σφάλματα κβαντικού υπολογιστή. Ο οδικός χάρτης της Google στοχεύει στην υλοποίηση μιας χρήσιμης, διορθωμένης ως προς τα σφάλματα κβαντικής μηχανής μέχρι το 2029, και η εταιρεία εργάζεται σταθερά στην επίδειξη λογικών qubits και στη μείωση των σφαλμάτων αντί να προσπαθεί να σπάσει ρεκόρ στον αριθμό των qubits thequantuminsider.com. (Οι τρέχουσες συσκευές της Google, όπως το 72-qubit Bristlecone ή οι νεότερες εκδόσεις του 53-qubit Sycamore, έχουν πολύ λιγότερα qubits από της IBM, αλλά πρόσφατα η Google έδειξε ότι η αύξηση του αριθμού των φυσικών qubits σε ένα λογικό qubit μπορεί να μειώσει το ποσοστό σφάλματος, ένα ελπιδοφόρο βήμα προς την κλιμάκωση thequantuminsider.com.) Σε δημόσιες δηλώσεις, η ηγεσία της Google προβλέπει ένα χρονοδιάγραμμα 5–10 ετών για να αρχίσει η κβαντική υπολογιστική να έχει πραγματικό αντίκτυπο thequantuminsider.com. Έτσι, ενώ η IBM προχωρά προς ένα πρωτότυπο με 4.000 qubits, η Google παίζει το μακροπρόθεσμο παιχνίδι για να πετύχει έναν πλήρως ανθεκτικό στα σφάλματα κβαντικό υπολογιστή, ακόμα κι αν διαθέτει μόνο δεκάδες qubits στο άμεσο μέλλον.

Η Quantinuum (η εταιρεία που δημιουργήθηκε από τη Honeywell και την Cambridge Quantum) είναι επίσης ένας σημαντικός παίκτης, αλλά ακολουθεί διαφορετική τεχνολογική διαδρομή: qubits παγιδευμένων ιόντων. Η Quantinuum δεν κυνηγά αμέσως χιλιάδες φυσικά qubits – το πιο πρόσφατο σύστημα παγίδευσης ιόντων διαθέτει περίπου 50–100 qubits υψηλής πιστότητας – αλλά έχει επιδείξει ρεκόρ quantum volume (ένα μέτρο της συνολικής ικανότητας) και δημιούργησε ακόμη και 12 “λογικά” qubits μέσω διόρθωσης σφαλμάτων το 2024 thequantuminsider.com. Ο οδικός χάρτης της Quantinuum στοχεύει σε πλήρως ανθεκτική στα σφάλματα κβαντική υπολογιστική μέχρι το 2030, και η εταιρεία δίνει έμφαση στην επίτευξη “τριών εννιαριών” πιστότητας (99,9% αξιοπιστία) και σημαντικών επιτευγμάτων σε λογικά qubits ως ενδιάμεσα βήματα thequantuminsider.com. Ο CEO της, Rajeeb Hazra, υποστηρίζει ότι η ποιότητα και η πρόοδος στη διόρθωση σφαλμάτων θα ξεκλειδώσουν μια “αγορά τρισεκατομμυρίων δολαρίων” για την κβαντική τεχνολογία, και ισχυρίζεται ότι η Quantinuum έχει “τον πιο αξιόπιστο οδικό χάρτη του κλάδου προς… ανθεκτική στα σφάλματα κβαντική υπολογιστική” thequantuminsider.com. Συνοψίζοντας, η Quantinuum εστιάζει στην τελειοποίηση των qubits και της διόρθωσης σφαλμάτων, ακόμα κι αν αυτό σημαίνει λιγότερα qubits προς το παρόν – σε αντίθεση με το μεγάλο στοίχημα της IBM στην κλιμάκωση και τη διαχείριση του θορύβου μέσω μετριασμού.

Ένας άλλος βασικός ανταγωνιστής, η IonQ, χρησιμοποιεί επίσης τεχνολογία παγιδευμένων ιόντων και δίνει έμφαση στην ποιότητα των qubit. Η ηγεσία της IonQ συχνά προβάλλει τα «αλγοριθμικά qubits» – έναν εσωτερικό δείκτη που λαμβάνει υπόψη τα ποσοστά σφάλματος και τη συνδεσιμότητα – αντί για τον απλό αριθμό των φυσικών qubits thequantuminsider.com. Ο οδικός χάρτης της IonQ στοχεύει σε «ευρεία κβαντική υπεροχή έως το 2025», αλλά μέσω της σταδιακής βελτίωσης της απόδοσης των qubit της και της κατασκευής αρθρωτών, τοποθετημένων σε ράφι συστημάτων παγίδευσης ιόντων, όχι με το να φτάσει έναν συγκεκριμένο υψηλό αριθμό qubit thequantuminsider.com. Στην πραγματικότητα, η IonQ προβλέπει ότι χρειάζονται μόνο μερικές δεκάδες υψηλής ποιότητας qubits για να ξεπεράσουν πολύ μεγαλύτερους, θορυβώδεις κβαντικούς υπολογιστές σε ορισμένες εργασίες. Ο πρώην CEO Peter Chapman προέβλεψε ότι η τεχνολογία της IonQ «θα είναι καθοριστική για το εμπορικό κβαντικό πλεονέκτημα», συγκεκριμένα δίνοντας έμφαση στα αλγοριθμικά qubits έναντι του αριθμού των φυσικών ως το κλειδί για χρήσιμες εφαρμογές thequantuminsider.com. Αυτή η φιλοσοφία υπογραμμίζει μια συζήτηση στον τομέα: είναι η κβαντική υπολογιστική ένα «παιχνίδι αριθμών» (περισσότερα qubits γρηγορότερα) ή ένα «παιχνίδι ποιότητας» (καλύτερα qubits ακόμα κι αν η κλιμάκωση είναι πιο αργή); Η IBM προωθεί τους αριθμούς (με έμφαση και στην ποιότητα), ενώ η IonQ ανήκει ξεκάθαρα στο στρατόπεδο της ποιότητας πρώτα.

Υπάρχει επίσης η Rigetti Computing, ένας μικρότερος παίκτης με υπεραγώγιμα qubit. Ο οδικός χάρτης της Rigetti έχει αντιμετωπίσει καθυστερήσεις – ήλπιζαν να φτάσουν τα 1.000 qubits μέσω πολυ-τσιπ μονάδων έως το 2024, αλλά στην πράξη τα συστήματά τους παραμένουν στα δεκάδες qubits. Μέχρι τα μέσα του 2025, η Rigetti στοχεύει σε ένα πιο μετριοπαθές σύστημα 100+ qubit μέχρι το τέλος του 2025 thequantuminsider.com, εστιάζοντας στη βελτίωση της πιστότητας και της απόδοσης των πυλών δύο qubit στην πορεία. Η εταιρεία έχει δυσκολευτεί να συμβαδίσει με την ταχεία κλιμάκωση της IBM, δείχνοντας πόσο δύσκολο είναι για τους νεοεισερχόμενους να ανταγωνιστούν τους πόρους και την τεχνογνωσία της IBM σε αυτόν τον τομέα. Παρ’ όλα αυτά, η Rigetti και άλλοι συμβάλλουν στην καινοτομία (για παράδειγμα, η Rigetti πρωτοστάτησε σε κάποιες πρώιμες τεχνικές πολυ-τσιπ ενσωμάτωσης), και τονίζουν ότι το προβάδισμα της IBM δεν είναι ανίκητο αν προκύψουν θεμελιώδεις ανακαλύψεις (όπως καλύτερα σχέδια qubit ή υλικά).

Αξίζει επίσης να αναφερθεί η D-Wave Systems σε αυτό το πλαίσιο. Η D-Wave, μια καναδική εταιρεία, διαθέτει μηχανές κβαντικής ανόπτησης (ένα διαφορετικό μοντέλο κβαντικής υπολογιστικής) με πάνω από 5.000 qubits σήμερα thequantuminsider.com. Ωστόσο, τα qubits της D-Wave έχουν σχεδιαστεί για την επίλυση προβλημάτων βελτιστοποίησης μέσω ανόπτησης, όχι για γενικούς κβαντικούς αλγορίθμους. Επιτυγχάνουν υψηλό αριθμό qubits μέσω μιας εξειδικευμένης αρχιτεκτονικής, αλλά αυτά τα qubits δεν μπορούν να εκτελέσουν αυθαίρετα κβαντικά κυκλώματα όπως οι συσκευές της IBM ή της Google. Ο CEO της D-Wave, Alan Baratz, έχει επισημάνει ότι η τεχνολογία τους ήδη προσφέρει αξία σε ορισμένες εφαρμογές (όπως η βελτιστοποίηση προγραμμάτων λιανικής ή η δρομολόγηση τηλεπικοινωνιών) thequantuminsider.com. Η ύπαρξη ενός συστήματος D-Wave με 5.000 qubits υπενθυμίζει ότι δεν είναι όλα τα qubits ίσα – τα qubits της D-Wave είναι χρήσιμα για συγκεκριμένες εργασίες αλλά δεν είναι άμεσα συγκρίσιμα με τα qubits κβαντικών υπολογιστών που βασίζονται σε πύλες. Ο στόχος της IBM για πάνω από 4.000 qubits αναφέρεται σε καθολικά, βασισμένα σε πύλες qubits, που είναι πολύ πιο απαιτητικό όσον αφορά την πολυπλοκότητα και τις δυνατότητες.

Συνοψίζοντας, η IBM ξεχωρίζει με την επιθετική κλιμάκωση του υλικού υπεραγώγιμων qubit και στοχεύει να το ενσωματώσει με κλασικούς υπολογιστές σε σύντομο χρονικό διάστημα. Η Google εστιάζει σε ορόσημα διόρθωσης σφαλμάτων, οι Quantinuum και IonQ εστιάζουν στην πιστότητα των qubit (με λιγότερα qubits βραχυπρόθεσμα), και εταιρείες όπως η Rigetti ακολουθούν με μικρότερες συσκευές. Κάθε προσέγγιση έχει τα πλεονεκτήματά της. Αν η IBM πετύχει, θα θέσει ψηλά τον πήχη στον αριθμό των qubits και ίσως επιτύχει το κβαντικό πλεονέκτημα σε χρήσιμες εργασίες νωρίτερα. Αλλά αν τα qubits είναι πολύ θορυβώδη, αυτά τα 4.000 qubits μπορεί να μην ξεπερνούν τα 100 εξαιρετικά qubits ενός ανταγωνιστή. Τα επόμενα δύο χρόνια θα είναι μια συναρπαστική κούρσα μεταξύ διαφορετικών φιλοσοφιών στην κβαντική υπολογιστική – και δεν είναι δεδομένο ότι περισσότερα qubits κερδίζουν πάντα, εκτός αν συνδυαστούν με ποιότητα και έξυπνο λογισμικό.

Γιατί 4.000 Qubits; Πιθανές Εφαρμογές και Προκλήσεις

Τι θα μπορούσε να κάνει στην πράξη ένας κβαντικός υπολογιστής με 4.000 qubits, αν λειτουργεί όπως προβλέπεται; Για να έχουμε ένα μέτρο σύγκρισης, οι σημερινοί κβαντικοί υπολογιστές (με δεκάδες ή λίγες εκατοντάδες qubits) δεν έχουν ακόμη ξεπεράσει ξεκάθαρα τους κλασικούς υπολογιστές σε κάποιο πρακτικό πρόβλημα. Η IBM και άλλοι πιστεύουν ότι προχωρώντας σε χιλιάδες qubits, θα μπούμε στη ζώνη όπου το χρήσιμο κβαντικό πλεονέκτημα γίνεται εφικτό για ορισμένες κατηγορίες προβλημάτων tomorrowdesk.com. Εδώ είναι μερικές εφαρμογές και επιπτώσεις που μπορεί να ξεκλειδώσει ένα σύστημα με 4.000 qubits:

Χημεία και Επιστήμη Υλικών: Οι κβαντικοί υπολογιστές είναι ιδιαίτερα κατάλληλοι για τη προσομοίωση μοριακών και ατομικών συστημάτων. Ακόμα και οι μεγαλύτεροι κλασικοί υπερυπολογιστές δυσκολεύονται να μοντελοποιήσουν με ακρίβεια τη συμπεριφορά πολύπλοκων μορίων και χημικών αντιδράσεων. Οι ερευνητές της IBM επισημαίνουν ότι «λίγοι τομείς θα αποκομίσουν αξία από την κβαντική υπολογιστική τόσο γρήγορα όσο η χημεία», επειδή οι κβαντικές μηχανές μπορούν εγγενώς να χειριστούν την κβαντική φύση των χημικών αλληλεπιδράσεων ibm.com. Ένα σύστημα 4.000 qubits θα μπορούσε ενδεχομένως να προσομοιώσει μεσαίου μεγέθους μόρια ή νέα υλικά με υψηλή ακρίβεια – βοηθώντας στην ανακάλυψη φαρμάκων, την ανάπτυξη νέων υλικών (για μπαταρίες, λιπάσματα, υπεραγωγούς κ.λπ.), και την κατανόηση πολύπλοκων χημικών διεργασιών. Αυτά είναι προβλήματα όπου οι κλασικές μέθοδοι φτάνουν σε αδιέξοδο λόγω εκθετικής πολυπλοκότητας. Μέχρι το 2025, η IBM αναμένει ότι οι κβαντικοί υπολογιστές θα αρχίσουν να εξερευνούν χρήσιμες εφαρμογές στις φυσικές επιστήμες όπως η χημεία ibm.com.
Βελτιστοποίηση και Χρηματοοικονομικά: Πολλά προβλήματα του πραγματικού κόσμου – από τη λογιστική αλυσίδα εφοδιασμού έως τη βελτιστοποίηση χαρτοφυλακίου – περιλαμβάνουν την εύρεση της καλύτερης λύσης ανάμεσα σε αστρονομικά πολλές δυνατότητες. Οι κβαντικοί υπολογιστές, με αλγορίθμους όπως το QAOA ή τεχνικές κβαντικής ανόπτησης, προσφέρουν νέους τρόπους προσέγγισης ορισμένων προβλημάτων βελτιστοποίησης. Μια μηχανή με χιλιάδες qubits θα μπορούσε να διαχειριστεί μεγαλύτερα προβλήματα ή να προσφέρει πιο ακριβείς λύσεις από τις τρέχουσες συσκευές. Ο CEO της IBM, Arvind Krishna, έχει προτείνει ότι η κβαντική υπολογιστική θα επιτρέψει νέους αλγορίθμους για βελτιστοποίηση που οι επιχειρήσεις μπορούν να αξιοποιήσουν, ενδεχομένως να αποτελέσει βασικό παράγοντα διαφοροποίησης για βιομηχανίες όπως τα χρηματοοικονομικά, η ενέργεια και η μεταποίηση thequantuminsider.com. Ένα σύστημα 4.000 qubits θα μπορούσε, για παράδειγμα, να αντιμετωπίσει πολύπλοκα προβλήματα ανάλυσης κινδύνου ή βελτιστοποίησης δρομολόγησης που οι κλασικοί αλγόριθμοι δεν μπορούν να λύσουν σε λογικό χρόνο.
Μηχανική Μάθηση και Τεχνητή Νοημοσύνη: Υπάρχει αυξανόμενη έρευνα για την κβαντική μηχανική μάθηση, όπου οι κβαντικοί υπολογιστές ίσως επιταχύνουν ορισμένα είδη εργασιών μηχανικής μάθησης ή προσφέρουν νέες δυνατότητες μοντελοποίησης. Με χιλιάδες qubits, οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούσαν να αρχίσουν να υλοποιούν μοντέλα κβαντικών νευρωνικών δικτύων ή να εκτελούν ταχύτερα υπορουτίνες γραμμικής άλγεβρας που αποτελούν τη βάση των αλγορίθμων ML. Η IBM συγκεκριμένα εξετάζει τη μηχανική μάθηση ως δοκιμαστική περίπτωση για κβαντικές εφαρμογές – αναμένοντας ότι μέχρι το 2025, οι κβαντικοί υπολογιστές θα χρησιμοποιούνται για την εξερεύνηση περιπτώσεων χρήσης μηχανικής μάθησης παράλληλα με την κλασική ML, ενδεχομένως βελτιώνοντας τον τρόπο που αναγνωρίζουμε πρότυπα σε δεδομένα ή βελτιστοποιούμε μοντέλα ML ibm.com. Ένα πρακτικό παράδειγμα θα μπορούσε να είναι η κβαντικά ενισχυμένη επιλογή χαρακτηριστικών ή ομαδοποίηση σε πολύπλοκα σύνολα δεδομένων, που ίσως επιταχύνονται από κβαντικές υπορουτίνες.
Επιστημονική Έρευνα και «Μεγάλες Προκλήσεις»: Πέρα από τους στοχευμένους κλάδους, ένας κβαντικός υπερυπολογιστής 4.000 qubit θα ήταν ευεργετικός για τη θεμελιώδη επιστήμη. Θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη προσομοίωση σεναρίων φυσικής υψηλής ενέργειας, τη βελτιστοποίηση σχεδίων για κβαντικά υλικά ή ακόμα και τη διερεύνηση ερωτημάτων στην κρυπτογραφία και τα μαθηματικά. Η IBM έχει αναφέρει ευρέως τις φυσικές επιστήμες – για παράδειγμα, προβλήματα στη φυσική ή τη βιολογία που σήμερα είναι άλυτα, ίσως υποκύψουν σε μια υβριδική κβαντική προσέγγιση ibm.com. Σκεφτείτε το σχεδιασμό καταλυτών για τη δέσμευση άνθρακα ή την ανάλυση κβαντικών συστημάτων στη πυρηνική φυσική – πρόκειται για εξαιρετικά πολύπλοκους υπολογισμούς όπου ένας κβαντικός υπολογιστής ίσως προσφέρει νέες γνώσεις. Οι ίδιοι οι ερευνητές της IBM έχουν επισημάνει εφαρμογές στη χημεία, τη βελτιστοποίηση και τη μηχανική μάθηση ως πρώιμους στόχους για κβαντικό πλεονέκτημα ibm.com.

Αυτή είναι η λαμπερή υπόσχεση – αλλά τι γίνεται με τις προκλήσεις; Ένας κβαντικός υπολογιστής 4.000 qubit θα αντιμετωπίσει σοβαρά εμπόδια:

Θόρυβος και Ποσοστά Σφαλμάτων: Τα σημερινά qubit είναι επιρρεπή σε σφάλματα· αποσυντίθενται (χάνουν την κβαντική τους κατάσταση) μέσα σε μικροδευτερόλεπτα και οι λειτουργίες («πύλες») μεταξύ των qubit είναι ατελείς. Με μόλις 50-100 qubit, οι κβαντικοί αλγόριθμοι μπορούν να εκτελέσουν μόνο μια πολύ σύντομη ακολουθία λειτουργιών πριν τα σφάλματα κατακλύσουν το αποτέλεσμα. Αν έχετε χιλιάδες qubit, η πρόκληση του θορύβου πολλαπλασιάζεται. Μάλιστα, η σύνδεση τριών chip (όπως σχεδιάζει η IBM) θα μπορούσε να εισάγει ακόμα περισσότερα σφάλματα λόγω ελαφρώς πιο αργών, χαμηλότερης πιστότητας λειτουργιών μεταξύ των chip ibm.com. Η IBM το αναγνωρίζει αυτό και σχεδιάζει το λογισμικό του System Two ώστε να είναι «ενήμερο» για την αρχιτεκτονική – για παράδειγμα, να προγραμματίζει κρίσιμες λειτουργίες στο ίδιο chip και να διαχειρίζεται προσεκτικά τις πιο αργές δια-τσιπ λειτουργίες ibm.com. Χωρίς διόρθωση σφαλμάτων (που δεν θα είναι πλήρως διαθέσιμη ως το 2025), η IBM θα βασιστεί σε μετριασμό σφαλμάτων: έξυπνα τεχνάσματα για τη μείωση της επίδρασης των σφαλμάτων. Αυτό περιλαμβάνει τεχνικές όπως η πιθανοκρατική ακύρωση σφαλμάτων, όπου εισάγεις σκόπιμα επιπλέον θόρυβο για να μάθεις για τον θόρυβο και στη συνέχεια επεξεργάζεσαι κλασικά τα αποτελέσματα για να ακυρώσεις τα σφάλματα spectrum.ieee.org. Αυτές οι μέθοδοι είναι υπολογιστικά δαπανηρές και όχι τέλειες, αλλά η έρευνα της IBM δείχνει ότι κάποιες μπορούν να κλιμακωθούν σε συσκευές αυτού του μεγέθους spectrum.ieee.org. Παρ’ όλα αυτά, η διαχείριση του θορύβου είναι το κεντρικό ζήτημα – είναι ο λόγος που οι κβαντικοί υπολογιστές δεν έχουν ακόμη λύσει προβλήματα του πραγματικού κόσμου, και μια μηχανή 4.000 qubit θα πετύχει μόνο αν η IBM μπορέσει να κρατήσει τα σφάλματα υπό έλεγχο αρκετά ώστε να κάνει βαθιούς υπολογισμούς.

διόρθωση σφαλμάτων κβαντικών υπολογιστών (QEC)

“NISQ”

κβαντικό κώδικα LDPC

thequantuminsider.com

2033

newsroom.ibm.com

μετριασμό

hpcwire.com

η διόρθωση σφαλμάτων βρίσκεται πολύ ψηλά στην ατζέντα τους μόλις επιτευχθεί το ορόσημο των 4.000 qubits

Λογισμικό και Εργαλεία Ανάπτυξης: Ακόμα κι αν έχετε μια κβαντική μηχανή 4.000 qubit, χρειάζεστε λογισμικό που να μπορεί να τη χρησιμοποιήσει αποτελεσματικά. Οι κβαντικοί αλγόριθμοι πρέπει να χαρτογραφηθούν σε αυτό το πολύπλοκο υλικό πολλαπλών chip. Η IBM αντιμετωπίζει αυτό το ζήτημα με εργαλεία όπως το Qiskit Runtime και την αρχιτεκτονική Quantum Serverless. Αυτά επιτρέπουν στον χρήστη να διασπάσει ένα πρόβλημα σε μικρότερα κβαντικά κυκλώματα, να τα εκτελέσει παράλληλα σε διαφορετικά κβαντικά chip και να συνδυάσει τα αποτελέσματα με κλασική επεξεργασία ibm.com. Για παράδειγμα, η “συρραφή κυκλωμάτων” είναι μια τέτοια τεχνική που επισημαίνει η IBM – διαχωρίζοντας ένα μεγάλο κύκλωμα σε κομμάτια που χωρούν σε μικρότερους επεξεργαστές και στη συνέχεια επανασυνδυάζοντας τα αποτελέσματα κλασικά ibm.com. Μέχρι το 2025, η IBM σχεδιάζει να έχει λειτουργίες όπως δυναμικά κυκλώματα (όπου τα αποτελέσματα μέτρησης μπορούν να επηρεάσουν μελλοντικές λειτουργίες σε πραγματικό χρόνο) και ενσωματωμένη καταστολή σφαλμάτων που θα τρέχουν στην cloud πλατφόρμα της ibm.com. Η πρόκληση θα είναι να γίνουν όλα αυτά φιλικά προς τον προγραμματιστή. Η IBM θέλει η κβαντική υπολογιστική να είναι προσβάσιμη ώστε οι επιστήμονες δεδομένων και οι ειδικοί του τομέα (όχι μόνο οι κάτοχοι διδακτορικού στην κβαντική φυσική) να μπορούν να αξιοποιήσουν αυτά τα 4.000 qubit ibm.com. Η επίτευξη μιας καλής αφαίρεσης – όπου ο χρήστης μπορεί, για παράδειγμα, να καλέσει μια συνάρτηση υψηλού επιπέδου για να προσομοιώσει ένα μόριο και το σύστημα να βρει πώς να χρησιμοποιήσει τα 4.000 qubit για αυτό – θα είναι κρίσιμη για την πρακτική χρησιμότητα. Η προσέγγιση της IBM εδώ είναι η έννοια του κβαντικού middleware και ενός “app store” κβαντικών πρωτογενών λειτουργιών: έτοιμες συναρτήσεις για κοινές εργασίες όπως η δειγματοληψία κατανομών πιθανοτήτων ή η εκτίμηση ιδιοτήτων συστημάτων ibm.com. Αν πετύχει, ένας χημικός το 2025 ίσως να μη χρειάζεται να γνωρίζει τις λεπτομέρειες του υλικού· θα μπορούσε απλώς να χρησιμοποιήσει το λογισμικό της IBM για να αξιοποιήσει τη δύναμη των 4.000 qubit για την προσομοίωσή του.
Φυσική Υποδομή: Η κλιμάκωση σε χιλιάδες qubits δεν αποτελεί μόνο έναν υπολογιστικό στόχο, αλλά έναν μηχανικό μαραθώνιο. Οι κβαντικοί επεξεργαστές πρέπει να ψύχονται σε θερμοκρασίες millikelvin – πιο κρύες και από το διάστημα. Η IBM έπρεπε να σχεδιάσει ένα νέο ψυγείο αραίωσης (IBM Quantum System Two) που είναι μεγαλύτερο και πιο αρθρωτό από τα προηγούμενα, ώστε να φιλοξενεί πολλαπλά chips και όλη την καλωδίωση ελέγχου τους techmonitor.ai. Το ψυγείο, τα ηλεκτρονικά και η καλωδίωση γίνονται όλο και πιο περίπλοκα όσο προστίθενται qubits. Χιλιάδες qubits σημαίνουν χιλιάδες γραμμές ελέγχου μικροκυμάτων, εξελιγμένα φίλτρα για να αποτρέπεται η διαρροή θερμότητας και θορύβου προς τα qubits, και τεράστιες ροές δεδομένων από τις αναγνώσεις των qubits. Οι μηχανικοί της IBM έχουν συγκρίνει την πολυπλοκότητα της κλιμάκωσης κβαντικών συστημάτων με εκείνη των πρώτων υπερυπολογιστών ή διαστημικών αποστολών. Μέχρι το 2025, η IBM αναμένει να έχει «αφαιρέσει τα κύρια εμπόδια στην κλιμάκωση» μέσω αρθρωτού υλικού και συνοδευτικών ηλεκτρονικών ελέγχου ibm.com – αλλά αξίζει να σημειωθεί ότι η IBM μόλις τώρα φτάνει σε αυτά τα όρια. Το System Two στη Νέα Υόρκη είναι ουσιαστικά ένα πρωτότυπο για τη διαχείριση αυτής της πολυπλοκότητας newsroom.ibm.com. Η IBM εγκαθιστά επίσης ένα System Two στην Ευρώπη (σε συνεργασία με την κυβέρνηση της Χώρας των Βάσκων στην Ισπανία) μέχρι το 2025 tomorrowdesk.com, το οποίο θα δοκιμάσει πώς αυτή η αιχμή υποδομής μπορεί να αναπαραχθεί εκτός του εργαστηρίου της IBM. Η επιτυχία αυτών των εγκαταστάσεων θα αποτελέσει σημαντική απόδειξη ότι τα υδραυλικά και η καλωδίωση ενός κβαντικού υπερυπολογιστή μπορούν να γίνουν αξιόπιστα και συντηρήσιμα.

Υπό το πρίσμα αυτών των προκλήσεων, οι ειδικοί μετριάζουν τον ενθουσιασμό σημειώνοντας ότι μια μηχανή IBM με 4.000 qubits πιθανότατα θα είναι ένα εξαιρετικά εξειδικευμένο εργαλείο. Ίσως ξεπεράσει τους κλασικούς υπερυπολογιστές σε συγκεκριμένα προβλήματα (προσομοιώσεις κβαντικής χημείας, ορισμένες βελτιστοποιήσεις ή εργασίες μηχανικής μάθησης όπως αναφέρθηκε), επιτυγχάνοντας κβαντικό πλεονέκτημα ή ακόμα και ενδείξεις κβαντικής υπεροχής σε χρήσιμα πλαίσια. Ωστόσο, δεν θα καταστήσει αμέσως τους κλασικούς υπολογιστές απαρχαιωμένους. Στην πραγματικότητα, για πολλές εργασίες, οι κλασικοί υπερυπολογιστές και οι GPU θα παραμείνουν ταχύτεροι ή πιο πρακτικοί. Ο ίδιος ο οδικός χάρτης της IBM αναγνωρίζει αυτή τη συνέργεια: ο κβαντικός υπερυπολογιστής προορίζεται να λειτουργεί μαζί με το κλασικό HPC, με το καθένα να κάνει αυτό που ξέρει καλύτερα tomorrowdesk.com. Έτσι, πρέπει να δούμε το σύστημα των 4.000 qubits ως έναν από τους πρώτους πραγματικούς “κβαντικούς επιταχυντές” – κάτι που θα χρησιμοποιούσες παράλληλα με την κλασική πληροφορική για να αντιμετωπίσεις τα πραγματικά δύσκολα προβλήματα που οι κλασικές μηχανές μόνες τους δεν μπορούν να λύσουν. Είναι ένα σημαντικό βήμα προς το απόλυτο όνειρο της ανθεκτικής στα σφάλματα κβαντικής πληροφορικής, αλλά δεν είναι ο τελικός προορισμός.

Ο Δρόμος Μπροστά: Ο Κβαντικός Οδικός Χάρτης της IBM μετά το 2025

Ο υπερυπολογιστής της IBM με πάνω από 4.000 qubits αποτελεί ένα σημαντικό ορόσημο, αλλά είναι μέρος ενός μακροπρόθεσμου οδικού χάρτη που εκτείνεται μέχρι τη δεκαετία του 2030. Η IBM έχει δηλώσει δημόσια ότι μέχρι το 2025, με αυτόν τον υπερυπολογιστή κβαντικής τεχνολογίας σε λειτουργία, θα έχει «αφαιρέσει μερικά από τα μεγαλύτερα εμπόδια στην κλιμάκωση του κβαντικού υλικού» ibm.com. Όμως η ανάπτυξη δεν θα σταματήσει εκεί. Το 2025 και μετά, η εστίαση της IBM θα μετατοπίζεται όλο και περισσότερο στο scaling with quality – στη βελτίωση της πιστότητας των qubits, στη διόρθωση σφαλμάτων και στην πολυπλοκότητα των κυκλωμάτων που μπορούν να εκτελεστούν.

Στην πραγματικότητα, στο τέλος του 2023, η IBM ενημέρωσε τον Οδικό Χάρτη Κβαντικής Ανάπτυξης μέχρι και το 2033. Ένας βασικός στόχος: περίπου το 2026–2027, να εισαγάγει κβαντικές λειτουργίες με διόρθωση σφαλμάτων στα συστήματά της, προχωρώντας προς «προηγμένα συστήματα με διόρθωση σφαλμάτων» αργότερα μέσα στη δεκαετία newsroom.ibm.com. Η IBM δίνει προτεραιότητα στις βελτιώσεις στην πιστότητα των πυλών (μείωση ποσοστών σφαλμάτων) ώστε να καταστούν εφικτά μεγαλύτερα κβαντικά κυκλώματα (με χιλιάδες λειτουργίες) newsroom.ibm.com. Αυτό υποδηλώνει ότι μετά την επίτευξη του ορόσημου στον αριθμό των qubits, η IBM θα επικεντρωθεί στη βελτίωση κάθε qubit και στην ενσωμάτωση της διόρθωσης σφαλμάτων σταδιακά. Ένα συγκεκριμένο παράδειγμα είναι η δουλειά της IBM σε νέους κώδικες διόρθωσης σφαλμάτων όπως οι Quantum LDPC codes και ταχύτερους αλγορίθμους αποκωδικοποίησης, που στοχεύουν να διαχειρίζονται τα σφάλματα πιο αποτελεσματικά από τους σημερινούς surface codes thequantuminsider.com. Υπάρχει επίσης συζήτηση για έναν επεξεργαστή της IBM με κωδική ονομασία «Loon» γύρω στο 2025, που προορίζεται να δοκιμάσει εξαρτήματα μιας αρχιτεκτονικής με διόρθωση σφαλμάτων (όπως μονάδες για τη σύνδεση qubits για έναν συγκεκριμένο QEC κώδικα) hpcwire.com. Μέχρι το 2029, η IBM φιλοδοξεί να κατασκευάσει ένα επιδείξιμο πρωτότυπο κβαντικού υπολογιστή με ανοχή σφαλμάτων, ευθυγραμμιζόμενη με ανταγωνιστές όπως η Google σε αυτόν τον απόλυτο στόχοhpcwire.com.

Στο μέτωπο του υλικού, η IBM πιθανότατα θα συνεχίσει τη σειρά επεξεργαστών με ονόματα πουλιών και μετά τον Kookaburra. Ο οδικός χάρτης μετά το 2025 δεν είναι πλήρως δημόσιος, αλλά η IBM υπαινίχθηκε ότι εξετάζει το ενδεχόμενο ακόμα μεγαλύτερων συστημάτων πολλαπλών chip και ίσως υβριδικών τεχνολογιών. Για παράδειγμα, το όραμα της IBM για έναν υπερυπολογιστή με κέντρο το κβάντο περιλαμβάνει τελικά κβαντικούς συνδέσμους επικοινωνίας που μπορούν να συνδέουν συστοιχίες chip σε απόσταση, όχι μόνο στο ίδιο ψυγείο newsroom.ibm.com. Ίσως δούμε την IBM να ενσωματώνει διασυνδέσεις οπτικών ινών ή άλλες μεθόδους για να συνδέει κβαντικούς επεξεργαστές σε διαφορετικά κρυοστάτες – παρόμοια με ένα τοπικό δίκτυο κβαντικής περιοχής. Αυτό θα ωθήσει προς δεκάδες χιλιάδες ή ακόμα και εκατομμύρια qubits μακροπρόθεσμα, κάτι που η IBM αναγνωρίζει ότι θα χρειαστεί για την επίλυση των πιο δύσκολων προβλημάτων (και την πλήρη διόρθωση σφαλμάτων) newsroom.ibm.com, insidehpc.com. Με τα λόγια της ίδιας της IBM, η αρθρωτή και δικτυωμένη προσέγγισή τους θα πρέπει να επιτρέψει την κλιμάκωση σε “εκατοντάδες χιλιάδες qubits” με την πάροδο του χρόνου newsroom.ibm.com. Το σύστημα των 4.000 qubits είναι ουσιαστικά η πρώτη υλοποίηση μιας αρχιτεκτονικής κβαντικού υπερυπολογιστή που μπορεί να αναπτυχθεί συνδέοντας περισσότερες μονάδες.

Ο ευρύτερος οδικός χάρτης της IBM περιλαμβάνει επίσης την ανάπτυξη του κβαντικού οικοσυστήματος. Η εταιρεία επενδύει στην εκπαίδευση, τις συνεργασίες και την προσβασιμότητα μέσω cloud, ώστε όταν το υλικό είναι έτοιμο, να υπάρχει μια κοινότητα έτοιμη να το χρησιμοποιήσει. Για παράδειγμα, η IBM έχει συνεργαστεί με εθνικά εργαστήρια, πανεπιστήμια και ακόμη και περιφερειακές κυβερνήσεις (όπως στην Ιαπωνία, τη Νότια Κορέα, τη Γερμανία και την Ισπανία) για να φιλοξενήσει κβαντικά συστήματα και να ενισχύσει την τοπική ανάπτυξη. Το σχέδιο για την εγκατάσταση του πρώτου IBM Quantum System Two στην Ευρώπη στην Ισπανία έως το 2025 tomorrowdesk.com είναι μέρος αυτής της στρατηγικής – να δοθεί η δυνατότητα σε περισσότερους ανθρώπους να έρθουν σε επαφή με προηγμένο κβαντικό υλικό. Η ηγεσία της IBM προβλέπει ότι η κβαντική υπολογιστική θα γίνει βασικός παράγοντας διαφοροποίησης για τις επιχειρήσεις τα επόμενα χρόνια thequantuminsider.com, και θέλουν να βρίσκονται στο επίκεντρο αυτής της αναδυόμενης κβαντικής οικονομίας.

Συμπερασματικά, το έργο της IBM για τον κβαντικό υπερυπολογιστή με πάνω από 4.000 qubits αντιπροσωπεύει ένα ιστορικό άλμα στην κλίμακα της κβαντικής υπολογιστικής. Αν πετύχει, θα σηματοδοτήσει τη μετάβαση από μεμονωμένους, πειραματικούς κβαντικούς επεξεργαστές σε δικτυωμένα κβαντικά συστήματα που πλησιάζουν το όριο της πρακτικής χρησιμότητας. Αυτή η προσπάθεια βρίσκεται στη διασταύρωση της αιχμής της φυσικής, της μηχανικής και της επιστήμης των υπολογιστών. Είναι τόσο ένα κατόρθωμα λογισμικού όσο και υλικού, απαιτώντας νέους τρόπους διαχείρισης και προγραμματισμού ενός εντελώς νέου είδους υπερυπολογιστή. Ο κόσμος παρακολουθεί στενά – όχι μόνο για τον αριθμό-ρεκόρ των qubits, αλλά και για το αν η IBM μπορεί να επιδείξει χρήσιμα αποτελέσματα με αυτό το μηχάνημα που ξεπερνούν όσα μπορούν να κάνουν οι κλασικοί υπολογιστές.

Στα μέσα του 2025, η IBM βρίσκεται στο χείλος αυτού του επιτεύγματος: ο σχεδιασμός του υλικού είναι σε μεγάλο βαθμό έτοιμος, τα αρχικά πρωτότυπα λειτουργούν και η εταιρεία αγωνίζεται να ενσωματώσει τα πάντα σε έναν λειτουργικό υπερυπολογιστή. Η επιτυχία δεν είναι εγγυημένη, αλλά η δυναμική και η πρόοδος μέχρι τώρα είναι αδιαμφισβήτητες. Ακόμα και οι ανταγωνιστές και οι σκεπτικιστές θα συμφωνούσαν ότι η IBM έχει ωθήσει δραματικά το πεδίο μπροστά. Καθώς αναμένουμε το πλήρες ντεμπούτο του κβαντικού υπερυπολογιστή της IBM, ένα πράγμα είναι σαφές – μπαίνουμε σε ένα νέο κεφάλαιο της ιστορίας της υπολογιστικής. Όπως διακήρυξε η ίδια η IBM, ο επερχόμενος κβαντοκεντρικός υπερυπολογιστής είναι έτοιμος να γίνει «μια βασική τεχνολογία για όσους λύνουν τα πιο δύσκολα προβλήματα, όσους κάνουν την πιο πρωτοποριακή έρευνα και όσους αναπτύσσουν την πιο αιχμηρή τεχνολογία» insidehpc.com.

Τα επόμενα λίγα χρόνια θα δείξουν αν αυτή η υπόσχεση θα πραγματοποιηθεί, αλλά αν το στοίχημα της IBM αποδώσει, τα 4.000 qubits θα μπορούσαν πραγματικά να αλλάξουν την υπολογιστική για πάντα – ανοίγοντας την πόρτα σε λύσεις για προβλήματα που κάποτε θεωρούσαμε αδύνατα, και προαναγγέλλοντας την αυγή της εποχής της κβαντικής υπολογιστικής.

Πηγές:

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: Η IBM παρουσιάζει κβαντικό υπερυπολογιστή που θα μπορούσε να φτάσει τα 4.000 qubits μέχρι το 2025 techmonitor.ai
IEEE Spectrum: Στόχος της IBM: Επεξεργαστής 4.000 qubit μέχρι το 2025 (ανάλυση του οδικού χάρτη και των προκλήσεων) spectrum.ieee.org
InsideHPC: Η IBM στο Think 2022 – όραμα για υπερυπολογιστές με κέντρο το κβάντο insidehpc.com
The Quantum Insider: Οδικοί χάρτες κβαντικής υπολογιστικής των μεγάλων παικτών (IBM, Google, IonQ, κ.ά.) thequantuminsider.com
TomorrowDesk: Επισκόπηση του στόχου της IBM για κβαντικό υπερυπολογιστή το 2025 και της αρθρωτής σχεδίασης tomorrowdesk.com
Post-Quantum (industry blog): Για τα qubits που απαιτούνται για να σπάσει η κρυπτογράφηση RSA-2048 postquantum.com
TechMonitor: Αποσπάσματα από τον Dr. Darío Gil της IBM και στατιστικά του IBM Quantum Network techmonitor.ai

2025 IBM Quantum Roadmap update

Watch this video on YouTube.