Supercomputerul cuantic IBM de 4.000 de qubiți ar putea schimba computația pentru totdeauna

• IBM plănuiește un supercomputer cuantic de peste 4.000 de qubiți până în 2025, realizat prin interconectarea a trei cipuri Kookaburra de 1.386 de qubiți pentru a forma un sistem de 4.158 de qubiți.
• Platforma modulară Quantum System Two, lansată în 2023, este proiectată să găzduiască mai multe cipuri și dispune de un frigider criogenic și electronice de control avansate.
• La sfârșitul anului 2023, IBM a pus în funcțiune primul Quantum System Two, care rulează trei procesoare Heron de 133 de qubiți în paralel.
• Până la sfârșitul lui 2025, IBM intenționează să găzduiască trei cipuri Kookaburra pe System Two, creând o singură mașină cu 4.158 de qubiți.
• IBM folosește cuplori pe distanță scurtă între cipuri și legături criogenice pentru a conecta cipurile într-o singură structură de calcul.
• Compania numește această abordare supercomputing centrat pe cuantic, împletind QPU-uri cu CPU-uri și GPU-uri într-o structură de calcul unificată.
• Qiskit Runtime și circuit knitting permit dezvoltatorilor să ruleze sarcini cuantice mari pe mai multe cipuri, cu atenuare a erorilor integrată.
• Sistemul de peste 4.000 de qubiți va funcționa în regimul NISQ în 2025, bazându-se pe atenuarea erorilor în locul corecției cuantice complete a erorilor.
• Experții estimează că spargerea RSA-2048 ar necesita aproximativ 4.000 de qubiți logici corectați de erori, probabil milioane de qubiți fizici.
• Competiția include Google, care vizează calculul cuantic tolerant la erori până în 2029, IonQ care urmărește qubiți algoritmici, Quantinuum concentrându-se pe fidelitate ridicată și toleranță la erori, și D-Wave care oferă un sistem de recoacere cu peste 5.000 de qubiți.

IBM este pe punctul de a realiza o descoperire în calculul cuantic: un „supercomputer cuantic” cu peste 4.000 de qubiți până în 2025. Planul ambițios al gigantului tehnologic – parte a unei strategii cuantice mai ample – promite să revoluționeze calculul abordând probleme pe care cele mai rapide supercomputere de astăzi nu le pot rezolva. În acest raport, vom analiza parcursul cuantic al IBM, designul sistemului său de peste 4.000 de qubiți, perspectivele experților (și entuziasmul), cum se compară cu rivali precum Google și IonQ, și ce ar putea însemna o mașină cu 4.000 de qubiți pentru lume.

Context: Căutarea IBM în calculul cuantic

IBM a fost un pionier în calculul cuantic, conducând atât dezvoltarea hardware, cât și software. Încă din 2020, IBM a prezentat o foaie de parcurs cuantică și a atins fiecare etapă de atunci. Au demonstrat procesorul Eagle cu 127 de qubiți în 2021 – un cip atât de complex încât circuitele sale „nu pot fi simulate exact în mod fiabil pe un computer clasic” insidehpc.com. Până în 2022, IBM a introdus cipul Osprey cu 433 de qubiți, un mare pas înainte față de Eagle la numărul de qubiți techmonitor.ai. Cel mai recent, la sfârșitul lui 2023, IBM a atins pragul de 1.121 de qubiți cu procesorul său Condor – primul procesor cuantic care a depășit bariera de o mie de qubițitomorrowdesk.com. Fiecare dintre aceste progrese a pus bazele esențiale pentru scalarea la mii de qubiți.

Dar strategia IBM nu se rezumă doar la adăugarea mai multor qubiți. Compania pune accent pe o abordare full-stack: hardware cuantic robust, software cuantic inteligent și un ecosistem larg de utilizatori și parteneri newsroom.ibm.com, insidehpc.com. În 2016, IBM a pus primul computer cuantic în cloud pentru utilizare publică, iar astăzi peste 200 de organizații și 450.000 de utilizatori sunt conectați la serviciile cuantice IBM prin cloud techmonitor.ai. Platforma software a IBM (Qiskit) și mediul Qiskit Runtime permit dezvoltatorilor să ruleze programe cuantice eficient, cu instrumente integrate pentru reducerea erorilor și orchestrarea sarcinilor hibride cuantic-clasice newsroom.ibm.com, insidehpc.com. Această integrare strânsă între hardware și software – împreună cu o rețea de colaboratori din mediul academic și industrie – este esențială pentru obiectivul mai larg al IBM: aducerea calculului cuantic util în lume, nu doar demonstrații de laborator.

IBM numește această viziune „supercomputing centrat pe cuantic”. Ideea este ca, în cele din urmă, să îmbine procesoarele cuantice (QPU) cu CPU-uri și GPU-uri clasice într-o structură de calcul fără întreruperi insidehpc.com. Așa cum supercomputerele recente combină CPU-uri și acceleratoare AI pentru a gestiona sarcini AI, IBM vede viitoarele supercomputere combinând motoare cuantice și clasice pentru a aborda probleme pe care niciuna nu le-ar putea rezolva singură insidehpc.com. În cuvintele Dr. Jay Gambetta, vicepreședinte IBM pentru cuantic, „Acum, IBM inaugurează era supercomputerului centrat pe cuantic, unde resursele cuantice – QPU-urile – vor fi împletite cu CPU-uri și GPU-uri într-o structură de calcul”, având ca scop rezolvarea „celor mai dificile probleme” din știință și industrie insidehpc.com. Este o viziune îndrăzneață care depășește simpla realizare a unui computer mai rapid; este vorba despre schimbarea formei fundamentale a calculului.

Proiectarea unui supercomputer cuantic cu peste 4.000 de qubiți

Cum construiești un computer cuantic cu peste 4.000 de qubiți? Răspunsul IBM: modularitate. În loc de un singur cip uriaș, IBM conectează mai multe cipuri cuantice mai mici într-un singur sistem – asemănător cu legarea nodurilor într-un supercomputer. Platforma de generație următoare a companiei, numită IBM Quantum System Two, este proiectată special pentru acest scop. Lansat în 2023, System Two este primul sistem cuantic modular de calcul al IBM, având un frigider criogenic de ultimă generație și electronice de control care pot susține mai mulți procesoare cuantice simultan techmonitor.ai, newsroom.ibm.com. Este „casa” fizică ce va găzdui viitoarea flotă de cipuri conectate ale IBM, toate răcite aproape de zero absolut. Prin combinarea cipurilor, IBM poate crește rapid numărul de qubiți fără a fi nevoie să fabrice cipuri unice, imposibil de mari – o abordare crucială pentru a trece de la sute la mii de qubiți.

Figură: Viziunea IBM pentru un supercomputer cuantic este de a conecta mai multe cipuri cuantice într-un singur sistem. În 2025, IBM plănuiește să introducă „Kookaburra”, un procesor cu 1.386 de qubiți cu legături de comunicație cuantică; trei cipuri Kookaburra pot fi conectate într-un singur sistem cu 4.158 de qubiți ibm.com. Această arhitectură modulară permite IBM să ajungă la mii de qubiți prin rețelizarea procesoarelor mai mici în loc să se bazeze pe un singur cip masiv.

Inima planului IBM pentru 4.000 de qubiți este viitoarea sa familie de procesoare cu nume de cod aviare. În 2024, se așteaptă ca IBM să lanseze „Flamingo”, un cip cu 462 de qubiți proiectat pentru a testa comunicarea cuantică între cipuri ibm.com. IBM intenționează să demonstreze designul Flamingo prin conectarea a trei procesoare Flamingo într-un singur sistem cu 1.386 de qubiți – practic arătând că mai multe cipuri pot lucra împreună ca și cum ar fi unul singur ibm.com. Apoi urmează cel mare: în 2025, IBM va dezvălui „Kookaburra”, un procesor cu 1.386 de qubiți construit pentru scalare modulară ibm.com. Datorită legăturilor de comunicare integrate, trei cipuri Kookaburra pot fi interconectate pentru a forma o singură mașină cu 4.158 de qubiți ibm.com. În cuvintele IBM, aceasta va fi primul supercomputer centrat pe cuantic, depășind pragul de 4.000 de qubiți.

Cum arată această arhitectură? Practic, IBM folosește cuplori pe distanță scurtă între cipuri și legături criogenice pentru a uni qubiții de pe cipuri diferite spectrum.ieee.org. Gândește-te la fiecare cip ca la o „plăcuță” de qubiți; cuplorii permit plăcuțelor adiacente să partajeze informații cuantice, iar cabluri speciale de microunde pot conecta cipuri aflate puțin mai departe spectrum.ieee.org. Provocarea este ca qubiții de pe cipuri separate să se comporte aproape ca și cum ar fi pe același cip – lucru deloc ușor, deoarece stările cuantice sunt fragile. IBM a dezvoltat o nouă tehnologie de cuplare pentru a menține coerența qubiților înlănțuiți între cipuri tomorrowdesk.com. System Two oferă un mediu ultra-rece, fără vibrații și o configurație flexibilă a cablajului pentru a acomoda aceste rețele multi-cip techmonitor.ai. Toate acestea sunt orchestrate de un strat de control „inteligent” (software și calcul clasic) care direcționează operațiunile cuantice între diferitele cipuri, făcându-le să funcționeze împreună insidehpc.com.

Cronologia IBM prevede ca sistemul cu peste 4.000 de qubiți să fie operațional undeva în 2025 techmonitor.ai. De fapt, primele componente sunt deja instalate. La sfârșitul anului 2023, la IBM Quantum Summit, IBM a pus în funcțiune primul Quantum System Two, care rulează trei procesoare mai mici “Heron” de 133 de qubiți în paralel newsroom.ibm.com. Acesta a servit drept prototip: Heron este un cip cu un număr relativ mic de qubiți, dar cu rate de eroare semnificativ îmbunătățite, iar IBM a folosit System Two pentru a demonstra că poate opera mai multe procesoare împreună ca un singur sistem newsroom.ibm.com. În următorul an sau doi, IBM va scala acest sistem – înlocuind cipurile cu unele mai mari (precum Flamingo și apoi Kookaburra) și conectând mai multe dintre ele. Scopul este ca până la sfârșitul lui 2025, IBM Quantum System Two să găzduiască trei cipuri Kookaburra și astfel peste 4.000 de qubiți conectați într-o singură mașină techmonitor.ai. Privind și mai departe, IBM chiar își imaginează conectarea mai multor sisteme System Two: de exemplu, conectarea a trei astfel de sisteme ar putea duce la un cluster de peste 16.000 de qubiți în viitor techmonitor.ai. Cu alte cuvinte, 4.000 de qubiți nu reprezintă punctul final – este o piatră de temelie către mașini cuantice și mai mari construite prin interconectarea modulelor, la fel cum supercomputerele clasice se extind cu mai multe noduri.

Viziunea IBM: Perspective de la liderii în domeniul cuantic

Echipa de cercetare cuantică a IBM este, pe bună dreptate, entuziasmată – și optimistă – în legătură cu ceea ce înseamnă acest salt la 4.000 de qubiți. Directorul de Cercetare al IBM, Dr. Darío Gil, a vorbit adesea despre atingerea unei noi ere a calculului cuantic practic. „Punerea în aplicare a viziunii noastre ne-a oferit o vizibilitate clară asupra viitorului cuantic și asupra a ceea ce va fi necesar pentru a ajunge la era calculului cuantic practic”, a spus Gil, pe măsură ce IBM și-a extins foaia de parcurs newsroom.ibm.com. Odată cu obiectivul de peste 4.000 de qubiți la orizont, el a prezentat acest lucru ca pe începutul „unei ere a supercalculatoarelor centrate pe cuantic, care vor deschide spații computaționale mari și puternice” pentru dezvoltatori, parteneri și clienți newsroom.ibm.com. Cu alte cuvinte, IBM vede acest moment ca zorii computerelor cuantice care nu mai sunt doar experimente de laborator, ci instrumente puternice pentru utilizarea în lumea reală.

Jay Gambetta, IBM Fellow și VP Quantum, a numit 2023 un punct major de inflexiune – momentul în care conceptul de supercalculator centrat pe cuantic a devenit realitate sub formă de prototip techmonitor.ai. Potrivit lui Gambetta, simpla creștere a numărului de qubiți nu este suficientă; „supercalculatoarele centrate pe cuantic vor necesita mai mult decât doar mulți qubiți”, a explicat el – este nevoie și de o adâncime mai mare a circuitelor și de o integrare strânsă cu sistemele clasice techmonitor.ai. Acest lucru reflectă accentul pus de IBM pe calitatea qubiților și pe îmbinarea perfectă a calculului cuantic cu cel clasic. „Misiunea noastră este să aducem calculul cuantic util în lume,” a spus Gambetta. „Vom continua să oferim cea mai bună ofertă cuantică full-stack din industrie — iar industria trebuie să pună aceste sisteme la treabă” techmonitor.ai. Mesajul: IBM va livra hardware-ul și software-ul, iar ei se așteaptă ca afacerile și cercetătorii să înceapă să facă lucruri cu adevărat importante cu acestea.

La Summitul Quantum 2023, echipa IBM a adoptat un ton optimist cu privire la maturitatea tehnologiei. „Ne aflăm ferm în era în care computerele cuantice sunt folosite ca instrument pentru a explora noi frontiere ale științei,” a remarcat Dr. Darío Gil, subliniind că mașinile cuantice nu mai sunt doar curiozități newsroom.ibm.com. El a evidențiat progresul IBM în scalarea acestor sisteme prin design modular și a promis să „crească și mai mult calitatea unui stack tehnologic cuantic la scară utilitară – și să îl pună în mâinile utilizatorilor și partenerilor noștri, care vor împinge limitele unor probleme mai complexe” newsroom.ibm.com. În esență, pe măsură ce IBM crește numărul de qubiți, lucrează și la îmbunătățirea fidelității qubiților și a „inteligenței” software, astfel încât acei mii de qubiți să poată realiza efectiv sarcini utile pentru probleme complexe.

IBM folosește chiar o metaforă sugestivă pentru schimbarea ce urmează. Compania compară trecerea de la computerele cuantice incipiente de astăzi la supercomputerul cuantic din 2025 cu „înlocuirea hărților pe hârtie cu sateliți GPS” în navigație ibm.com. Este o imagine evocatoare: supercomputerele cuantice ne-ar putea ghida prin probleme computaționale într-un mod fundamental nou, așa cum GPS-ul a revoluționat modul în care ne orientăm. Rămâne de văzut dacă realitatea va corespunde optimismului IBM, dar nu există nicio îndoială că cei mai buni specialiști ai IBM cred că sunt pe punctul de a realiza ceva măreț.

Ce spun experții: Hype și verificarea realității

Anunțul IBM privind procesorul cu 4.000 de qubiți a generat multă agitație, însă experții externi ne reamintesc adesea să ne păstrăm așteptările realiste. Un aspect cheie pe care îl menționează: mai mulți qubiți nu garantează automat rezultate utile. Qubiții de astăzi sunt „zgomotoși” – predispuși la erori – așa că simpla conectare a mii de qubiți imperfecți nu rezolvă magic problemele dacă acei qubiți nu pot menține coerența. IEEE Spectrum a menționat că planul IBM va trebui să fie însoțit de un „strat software inteligent” pentru a gestiona erorile și a orchestra sarcina de lucru hibridă cuantic-clasică spectrum.ieee.org. De fapt, un nou stack software puternic ar putea fi „cheia pentru a face ceva util” cu un procesor de 4.000 de qubiți, gestionând atenuarea erorilor și împărțind sarcinile între hardware-ul cuantic și co-procesoarele clasice spectrum.ieee.org. Pe scurt, numărul brut de qubiți nu este totul – modul în care folosești și controlezi acei qubiți este la fel de crucial.

Unii observatori ai industriei subliniază, de asemenea, diferența dintre qubiții fizici și qubiții logici. Un qubit logic este un qubit corectat pentru erori, practic un grup de mulți qubiți fizici care lucrează împreună pentru a acționa ca un singur qubit foarte fiabil. Experții estimează că spargerea criptării moderne (cum ar fi cheile RSA pe 2048 de biți care protejează securitatea online) ar necesita aproximativ 4.000 de qubiți logici corectați pentru erori – ceea ce, în practică, ar putea însemna milioane de qubiți fizici, având în vedere costurile actuale ale corectării erorilor postquantum.com. După cum a spus un analist de securitate, „4.000 de qubiți logici nu înseamnă același lucru cu 4.000 de qubiți reali” – un computer cuantic complet corectat pentru erori, cu mii de qubiți logici, este încă un vis îndepărtat postquantum.com. Mașina IBM cu peste 4.000 de qubiți va fi departe de acel ideal tolerant la erori; va fi compusă din qubiți fizici care necesită tehnici ingenioase de atenuare a erorilor pentru a fi utili. Cercetătorii avertizează rapid că nu ar trebui să ne așteptăm ca această mașină să spargă, de exemplu, criptarea internetului sau să rezolve peste noapte orice problemă de nerezolvat.

Cu toate acestea, planul ambițios al IBM o plasează înaintea multor competitori în cursa pentru numărul brut de qubiți, iar unii experți laudă abordarea modulară ca o modalitate pragmatică de a scala. „Credem că resursele clasice pot într-adevăr să îmbunătățească ceea ce poți face cu cuanticul și să valorifici la maximum această resursă cuantică,” a remarcat Blake Johnson, liderul platformei Quantum de la IBM, subliniind necesitatea unei orchestrări între calculul cuantic și cel clasic pentru a valorifica aceste sisteme mari spectrum.ieee.org. Acest sentiment este larg împărtășit: viitorul este „cuantic-plus-clasic” lucrând în tandem.

Viziuni concurente: IBM vs. Google, IonQ și alții

IBM nu este singură în cursa cuantică, dar strategia sa contrastează cu cea a altor jucători importanți. Google, de exemplu, s-a concentrat mai puțin pe numărul de qubiți pe termen scurt și mai mult pe realizarea unui computer cuantic corectat de erori complet. Foia de parcurs a Google urmărește să realizeze o mașină cuantică utilă, corectată de erori, până în 2029, iar compania a lucrat constant la demonstrarea qubiților logici și reducerea erorilor, în loc să încerce să doboare recorduri de număr de qubiți thequantuminsider.com. (Dispozitivele actuale ale Google, precum Bristlecone cu 72 de qubiți sau iterațiile mai noi ale Sycamore cu 53 de qubiți, au mult mai puțini qubiți decât cele ale IBM, dar Google a arătat recent că creșterea numărului de qubiți fizici într-un qubit logic poate reduce rata de eroare, un pas promițător spre scalabilitate thequantuminsider.com.) În declarațiile publice, conducerea Google estimează un orizont de timp de 5–10 ani pentru ca calculul cuantic să înceapă să aibă un impact real thequantuminsider.com. Așadar, în timp ce IBM se îndreaptă rapid spre un prototip cu 4.000 de qubiți, Google joacă pe termen lung pentru a obține un computer cuantic complet tolerant la erori, chiar dacă pe termen scurt are doar câteva zeci de qubiți.

Quantinuum (compania formată de Honeywell și Cambridge Quantum) este un alt jucător important, dar urmează o cale tehnologică diferită: qubiți ioni capturați. Quantinuum nu urmărește să atingă imediat mii de qubiți fizici – cel mai recent sistem cu capcană de ioni are în jur de 50–100 de qubiți de înaltă fidelitate – dar au demonstrat un volum cuantic record (o măsură a capacității generale) și chiar au creat 12 qubiți “logici” prin corectarea erorilor în 2024 thequantuminsider.com. Foia de parcurs a Quantinuum vizează calculul cuantic complet tolerant la erori până în 2030, iar compania pune accent pe atingerea unei fidelități de “trei de 9” (99,9% fiabilitate) și pe progrese în qubiții logici ca etape intermediare thequantuminsider.com. CEO-ul lor, Rajeeb Hazra, susține că calitatea și progresul în corectarea erorilor vor debloca o “piață de trilioane de dolari” pentru cuantic, și afirmă că Quantinuum are “cea mai credibilă foaie de parcurs din industrie către… calculul cuantic tolerant la erori” thequantuminsider.com. În concluzie, accentul Quantinuum este pe perfecționarea qubiților și a corectării erorilor, chiar dacă asta înseamnă mai puțini qubiți deocamdată – un contrast față de pariul mare al IBM pe scalare și gestionarea zgomotului prin atenuare.

Un alt competitor cheie, IonQ, folosește de asemenea tehnologia cu ioni capturați și pune accent, la fel, pe calitatea qubiților. Conducerea IonQ subliniază adesea „qubiții algoritmici” – o metrică internă ce ia în calcul ratele de eroare și conectivitatea – mai degrabă decât numărul total de qubiți fizici thequantuminsider.com. Planul IonQ vizează „avantajul cuantic larg până în 2025”, dar prin îmbunătățirea constantă a performanței qubiților și construirea de sisteme modulare, montate în rack, cu capcane de ioni, nu prin atingerea unui anumit număr mare de qubiți thequantuminsider.com. De fapt, IonQ estimează că are nevoie doar de câteva zeci de qubiți de înaltă calitate pentru a depăși computerele cuantice zgomotoase mult mai mari la anumite sarcini. Fostul CEO Peter Chapman a prezis că tehnologia IonQ „va fi esențială pentru avantajul cuantic comercial”, subliniind în mod special accentul pe qubiții algoritmici în detrimentul numărului fizic ca fiind cheia pentru aplicații utile thequantuminsider.com. Această filozofie evidențiază o dezbatere din domeniu: este calculul cuantic un „joc al numerelor” (mai mulți qubiți, mai repede) sau un „joc al calității” (qubiți mai buni, chiar dacă scalarea e mai lentă)? IBM mizează pe numere (dar cu atenție și la calitate), în timp ce IonQ este ferm în tabăra calității.

Apoi există Rigetti Computing, un jucător mai mic pe segmentul qubiților supraconductori. Planul Rigetti a întâmpinat întârzieri – sperau să ajungă la 1.000 de qubiți prin module multi-chip până în 2024, dar în practică sistemele lor sunt încă la nivelul zecilor de qubiți. Începând cu mijlocul lui 2025, Rigetti țintește un sistem cu peste 100 de qubiți până la finalul lui 2025 thequantuminsider.com, concentrându-se pe îmbunătățirea fidelității și a performanței porților cu doi qubiți pe parcurs. Compania a avut dificultăți în a ține pasul cu scalarea rapidă a IBM, ilustrând cât de dificil este pentru noii veniți să egaleze resursele și expertiza IBM în acest domeniu. Totuși, Rigetti și alții contribuie la inovație (de exemplu, Rigetti a fost pionier în unele tehnici timpurii de integrare multi-chip) și subliniază că avansul IBM nu este de neînvins dacă apar descoperiri fundamentale (cum ar fi designuri sau materiale mai bune pentru qubiți).

Este de asemenea demn de menționat D-Wave Systems în acest context. D-Wave, o companie canadiană, are mașini de annealing cuantic (un model diferit de calcul cuantic) cu peste 5.000 de qubiți astăzi thequantuminsider.com. Totuși, qubiții D-Wave sunt proiectați pentru rezolvarea problemelor de optimizare prin annealing, nu pentru algoritmi cuantici generali. Ei ating un număr mare de qubiți printr-o arhitectură specializată, dar acei qubiți nu pot rula circuite cuantice arbitrare așa cum pot dispozitivele IBM sau Google. CEO-ul D-Wave, Alan Baratz, a menționat că tehnologia lor oferă deja valoare în anumite aplicații (cum ar fi optimizarea programelor de lucru în retail sau rutarea telecomunicațiilor) thequantuminsider.com. Existența unui sistem D-Wave cu 5.000 de qubiți este o reamintire că nu toți qubiții sunt egali – qubiții D-Wave sunt utili pentru sarcini specifice, dar nu sunt direct comparabili cu qubiții calculatoarelor cuantice bazate pe porți logice. Ținta IBM de peste 4.000 de qubiți se referă la qubiți universali, bazați pe porți logice, ceea ce este mult mai dificil din punct de vedere al complexității și capabilității.

În rezumat, IBM se remarcă prin scalarea agresivă a hardware-ului cu qubiți superconductori și prin intenția de a-l integra cu calculul clasic într-un interval scurt de timp. Google se concentrează pe etape de corectare a erorilor, Quantinuum și IonQ se concentrează pe fidelitatea qubiților (cu mai puțini qubiți pe termen scurt), iar companii precum Rigetti rămân în urmă cu dispozitive mai mici. Fiecare abordare are meritele sale. Dacă IBM reușește, va stabili un standard ridicat pentru numărul de qubiți și ar putea atinge avantajul cuantic în sarcini utile mai devreme. Dar dacă qubiții sunt prea zgomotoși, acei 4.000 de qubiți ar putea să nu depășească 100 de qubiți excelenți ai unui competitor. Următorii câțiva ani vor fi o cursă fascinantă între diferite filozofii în calculul cuantic – și nu este garantat că mai mulți qubiți înseamnă întotdeauna victorie, decât dacă sunt asociați cu calitate și software inteligent.

De ce 4.000 de qubiți? Aplicații potențiale și provocări

Ce ar putea face de fapt un calculator cuantic cu 4.000 de qubiți, dacă funcționează conform așteptărilor? Pentru context, calculatoarele cuantice de astăzi (cu zeci sau câteva sute de qubiți) nu au depășit încă clar calculatoarele clasice la nicio problemă practică. IBM și alții cred că, ajungând la mii de qubiți, vom intra în zona în care avantajul cuantic util devine posibil pentru anumite clase de probleme tomorrowdesk.com. Iată câteva aplicații și impacturi pe care un sistem cu 4.000 de qubiți le-ar putea debloca:

• Chimie și Știința Materialelor: Calculatoarele cuantice sunt deosebit de potrivite pentru simularea sistemelor moleculare și atomice. Chiar și cele mai mari supercomputere clasice întâmpină dificultăți în a modela cu exactitate comportamentul moleculelor complexe și al reacțiilor chimice. Cercetătorii IBM subliniază că „puține domenii vor obține valoare din calculul cuantic la fel de rapid ca chimia”, deoarece mașinile cuantice pot gestiona nativ natura cuantică a interacțiunilor chimice ibm.com. Un sistem cu 4.000 de qubiți ar putea simula potențial molecule de dimensiuni medii sau materiale noi cu o acuratețe ridicată – ajutând la descoperirea de medicamente, dezvoltarea de materiale noi (pentru baterii, îngrășăminte, supraconductori etc.) și înțelegerea proceselor chimice complexe. Acestea sunt probleme unde metodele clasice ating un zid din cauza complexității exponențiale. Până în 2025, IBM anticipează că calculatoarele cuantice vor începe să exploreze aplicații utile în științele naturale precum chimia ibm.com.
• Optimizare și Finanțe: Multe probleme din lumea reală – de la logistică în lanțul de aprovizionare la optimizarea portofoliului – implică găsirea celei mai bune soluții dintre un număr astronomic de posibilități. Calculatoarele cuantice, cu algoritmi precum QAOA sau tehnici de recoacere cuantică, oferă noi modalități de a aborda anumite probleme de optimizare. O mașină cu mii de qubiți ar putea gestiona instanțe de probleme mai mari sau ar putea oferi soluții mai precise decât dispozitivele actuale. CEO-ul IBM, Arvind Krishna, a sugerat că calculul cuantic va permite algoritmi noi pentru optimizare pe care companiile îi pot valorifica, devenind potențial un diferențiator cheie pentru industrii precum finanțele, energia și producția thequantuminsider.com. Un sistem cu 4.000 de qubiți ar putea, de exemplu, să abordeze analize complexe de risc sau probleme de optimizare a rutelor pe care algoritmii clasici nu le pot rezolva într-un timp rezonabil.
• Învățare Automată și Inteligență Artificială: Există cercetări în creștere privind învățarea automată cuantică, unde calculatoarele cuantice ar putea accelera anumite tipuri de sarcini de învățare automată sau ar putea oferi noi capabilități de modelare. Cu mii de qubiți, calculatoarele cuantice ar putea începe să implementeze modele de rețele neuronale cuantice sau să execute mai rapid subrutine de algebră liniară care stau la baza algoritmilor ML. IBM privește în mod special învățarea automată ca pe un caz de testare pentru aplicațiile cuantice – anticipând că până în 2025, calculatoarele cuantice vor fi folosite pentru a explora cazuri de utilizare în învățarea automată alături de ML clasic, posibil îmbunătățind modul în care recunoaștem tipare în date sau optimizăm modelele ML ibm.com. Un exemplu practic ar putea fi selecția de caracteristici sau gruparea îmbunătățite cuantic pe seturi de date complexe, care ar putea fi accelerate de subrutine cuantice.
• Cercetare științifică și „Provocări majore”: Dincolo de industriile țintite, un supercomputer cuantic de 4.000 de qubiți ar fi un avantaj pentru știința fundamentală. Ar putea fi folosit pentru a simula scenarii de fizică de înaltă energie, a optimiza proiecte pentru materiale cuantice sau chiar a explora întrebări din criptografie și matematică. IBM a menționat științele naturale în sens larg – de exemplu, probleme din fizică sau biologie care în prezent sunt de netratat ar putea ceda unei abordări hibride cuantice ibm.com. Gândiți-vă la proiectarea de catalizatori pentru captarea carbonului sau la analizarea sistemelor cuantice din fizica nucleară – acestea sunt calcule extrem de complexe unde un computer cuantic ar putea oferi perspective noi. Cercetătorii IBM au indicat aplicații în chimie, optimizare și învățare automată ca ținte timpurii pentru avantajul cuantic ibm.com.

Aceasta este promisiunea strălucitoare – dar ce se întâmplă cu provocările? Un computer cuantic de 4.000 de qubiți va întâmpina obstacole serioase:

• Zgomot și rate de eroare: Qubiții de astăzi sunt predispuși la erori; aceștia decoeră (își pierd starea cuantică) în câteva microsecunde, iar operațiunile („porți”) între qubiți sunt imperfecte. Cu doar 50-100 de qubiți, algoritmii cuantici pot rula doar o secvență foarte scurtă de operațiuni înainte ca erorile să copleșească rezultatul. Dacă ai mii de qubiți, provocarea zgomotului se multiplică. De fapt, conectarea a trei cipuri (așa cum plănuiește IBM) ar putea introduce și mai multe erori din cauza operațiunilor ușor mai lente și cu fidelitate mai scăzută între cipuri ibm.com. IBM recunoaște acest lucru și proiectează software-ul System Two pentru a fi „conștient” de arhitectură – de exemplu, pentru a programa operațiunile critice pe același cip și a gestiona cu atenție operațiunile mai lente între cipuri ibm.com. Fără corecție de erori (care nu va fi complet implementată până în 2025), IBM se va baza pe atenuarea erorilor: trucuri ingenioase pentru a reduce impactul erorilor. Acestea includ tehnici precum anularea probabilistică a erorilor, unde introduci intenționat zgomot suplimentar pentru a învăța despre zgomot și apoi procesezi clasic rezultatele pentru a anula erorile spectrum.ieee.org. Aceste metode sunt costisitoare din punct de vedere computațional și nu sunt perfecte, dar cercetările IBM sugerează că unele pot fi scalate la dispozitive de această dimensiune spectrum.ieee.org. Totuși, gestionarea zgomotului este problema centrală – este motivul pentru care computerele cuantice nu au rezolvat încă probleme din lumea reală, iar o mașină de 4.000 de qubiți va avea succes doar dacă IBM poate ține erorile sub control suficient pentru a realiza calcule profunde.
• Corectarea erorilor & Qubiți logici: Soluția pe termen lung pentru zgomot este corectarea erorilor cuantice (QEC), care va grupa mulți qubiți fizici într-un singur qubit logic ce poate supraviețui erorilor. Sistemul IBM cu 4.000 de qubiți va funcționa probabil tot în regimul „NISQ” (Quantum Intermediar Zgomotos de Scară Medie), ceea ce înseamnă că nu va exista încă o corectare a erorilor la scară largă – pur și simplu nu vor fi suficienți qubiți pentru a corecta complet toate cele 4.000 de erori. (Pentru perspectivă, transformarea chiar și a câtorva mii de qubiți fizici într-un număr mic de qubiți logici ar putea consuma întreaga mașină.) Totuși, IBM pune bazele pentru corectarea erorilor. Compania a cercetat activ noi coduri QEC (de exemplu, un cod LDPC cuantic care este mai eficient din punct de vedere al qubiților decât codurile tradiționale de suprafață) și decodoare rapide de erori thequantuminsider.com. De fapt, IBM și-a extins recent foaia de parcurs până în 2033, prioritizând explicit îmbunătățirea calității porților și dezvoltarea modulelor cu corectare a erorilor după 2025 newsroom.ibm.com. Supercomputerul cu 4.000 de qubiți poate fi văzut ca o punte: este conceput să fie suficient de mare pentru a face unele lucruri utile cu atenuarea erorilor, în timp ce îi învață pe cei de la IBM cum să implementeze corectarea parțială a erorilor la scară. IBM a anunțat chiar și un plan pentru un prototip de computer cuantic tolerant la defecte până în 2029 hpcwire.com, indicând că corectarea erorilor este cu adevărat pe agenda lor odată ce este atins pragul de 4.000 de qubiți. Totuși, obținerea unor qubiți (logici) complet corectați de erori va necesita ordine de mărime mai mulți qubiți sau o fidelitate mult mai bună a qubiților – probabil o combinație a ambelor.
• Software și unelte pentru dezvoltatori: Chiar dacă ai o mașină cuantică de 4.000 de qubiți, ai nevoie de software care să o poată folosi eficient. Algoritmii cuantici trebuie mapați pe acest hardware complex, format din mai multe cipuri. IBM abordează această problemă cu unelte precum Qiskit Runtime și arhitectura Quantum Serverless. Acestea permit utilizatorului să împartă o problemă în circuite cuantice mai mici, să le ruleze în paralel pe diferite cipuri cuantice și să reunească rezultatele cu procesare clasică ibm.com. De exemplu, “circuit knitting” este o astfel de tehnică evidențiată de IBM – împărțirea unui circuit mare în bucăți care încap pe procesoare mai mici, apoi recombinarea rezultatelor în mod clasic ibm.com. Până în 2025, IBM plănuiește să aibă funcționalități precum circuite dinamice (unde rezultatele măsurătorilor pot influența operațiunile viitoare în timp real) și suprimare a erorilor integrată, care să ruleze pe platforma lor cloud ibm.com. Provocarea va fi ca toate acestea să fie prietenoase pentru dezvoltatori. IBM dorește ca calculul cuantic să fie accesibil astfel încât data scientists și experți de domeniu (nu doar doctoranzi în fizică cuantică) să poată folosi acei 4.000 de qubiți ibm.com. Obținerea unei bune abstractizări – unde un utilizator poate, de exemplu, să apeleze o funcție de nivel înalt pentru a simula o moleculă, iar sistemul să decidă cum să folosească cei 4.000 de qubiți pentru aceasta – va fi crucială pentru utilitatea practică. Abordarea IBM aici este conceptul de quantum middleware și un “app store” de primitive cuantice: funcții pre-construite pentru sarcini comune precum eșantionarea distribuțiilor de probabilitate sau estimarea proprietăților unor sisteme ibm.com. Dacă va avea succes, un chimist în 2025 s-ar putea să nu mai aibă nevoie să cunoască detaliile hardware-ului; ar putea pur și simplu să folosească software-ul IBM pentru a accesa puterea celor 4.000 de qubiți pentru simularea sa.
• Infrastructura fizică: Scalarea la mii de qubiți nu este doar o provocare computațională, ci un maraton de inginerie. Procesoarele cuantice trebuie răcite la temperaturi de milikelvin – mai reci decât spațiul cosmic. IBM a trebuit să proiecteze un nou frigider cu diluție (IBM Quantum System Two) care este mai mare și mai modular decât cele anterioare pentru a putea găzdui mai multe cipuri și toată cablarea de control aferentă techmonitor.ai. Frigiderul, electronica și cablurile devin din ce în ce mai complexe pe măsură ce adaugi qubiți. Mii de qubiți înseamnă mii de linii de control cu microunde, filtrare sofisticată pentru a preveni scurgerile de căldură și zgomot către qubiți și fluxuri uriașe de date din citirile qubiților. Inginerii IBM au comparat complexitatea scalării sistemelor cuantice cu cea a primelor supercomputere sau a misiunilor spațiale. Până în 2025, IBM se așteaptă să fi „eliminat principalele bariere din calea scalării” prin hardware modular și electronica de control aferentă ibm.com – dar merită menționat că IBM abia acum atinge aceste limite. System Two din New York este practic un prototip pentru gestionarea unei astfel de complexități newsroom.ibm.com. IBM instalează, de asemenea, un System Two în Europa (în parteneriat cu guvernul basc din Spania) până în 2025 tomorrowdesk.com, ceea ce va testa cum poate fi reprodusă această infrastructură de ultimă generație în afara propriului laborator IBM. Succesul acestor implementări va fi o dovadă importantă că instalațiile și cablajul unui supercomputer cuantic pot fi făcute fiabile și ușor de întreținut.

Având în vedere aceste provocări, experții temperează entuziasmul menționând că o mașină IBM cu 4.000 de qubiți va fi probabil un instrument extrem de specializat. Ar putea depăși supercomputerele clasice la anumite probleme (simulări de chimie cuantică, anumite optimizări sau sarcini de machine learning, după cum s-a menționat), atingând avantaj cuantic sau chiar indicii de supremație cuantică în contexte utile. Totuși, nu va face instantaneu computerele clasice învechite. De fapt, pentru multe sarcini, supercomputerele clasice și GPU-urile vor fi în continuare mai rapide sau mai practice. Propria foaie de parcurs a IBM recunoaște această sinergie: supercomputerul cuantic este menit să funcționeze împreună cu HPC clasic, fiecare făcând ceea ce știe mai bine tomorrowdesk.com. Așadar, ar trebui să privim sistemul cu 4.000 de qubiți ca pe unul dintre primele adevărate „acceleratoare cuantice” – ceva ce ai folosi alături de calculul clasic pentru a aborda acele probleme cu adevărat dificile pe care mașinile clasice nu le pot rezolva singure. Este un pas semnificativ către visul suprem al calculului cuantic tolerant la erori, dar nu este destinația finală.

Drumul înainte: Foaia de parcurs cuantică a IBM dincolo de 2025

Supercomputerul IBM cu peste 4.000 de qubiți reprezintă un reper major, dar este parte dintr-o foaie de parcurs mai lungă care se extinde până în anii 2030. IBM a declarat public că până în 2025, odată cu implementarea acestui supercomputer centrat pe cuantică, va „elimina unele dintre cele mai mari obstacole în calea scalării hardware-ului cuantic” ibm.com. Însă dezvoltarea nu se va opri aici. În 2025 și după, accentul IBM se va muta tot mai mult pe scalare cu calitate – îmbunătățirea fidelității qubiților, corecția erorilor și complexitatea circuitelor care pot fi rulate.

De fapt, la sfârșitul anului 2023, IBM și-a actualizat Foaia de Parcurs pentru Dezvoltarea Cuantică până în 2033. Un obiectiv cheie: în jurul anilor 2026–2027, introducerea operațiunilor cuantice cu corecție de erori pe sistemele lor, îndreptându-se spre „sisteme avansate cu corecție de erori” mai târziu în acest deceniu newsroom.ibm.com. IBM acordă prioritate îmbunătățirii fidelității porților (reducerea ratelor de eroare) astfel încât circuite cuantice mai mari (cu mii de operațiuni) să devină fezabile newsroom.ibm.com. Acest lucru sugerează că, după atingerea reperului de număr de qubiți, IBM se va concentra pe îmbunătățirea fiecărui qubit și pe integrarea treptată a corecției erorilor. Un exemplu concret este munca IBM la noi coduri de corecție a erorilor, precum codurile LDPC cuantice și algoritmi de decodare mai rapizi, care urmăresc să gestioneze erorile mai eficient decât codurile de suprafață de astăzi thequantuminsider.com. Există, de asemenea, discuții despre un procesor IBM cu numele de cod „Loon” în jurul anului 2025, destinat să testeze componente ale unei arhitecturi cu corecție de erori (cum ar fi module pentru conectarea qubiților pentru un anumit cod QEC) hpcwire.com. Până în 2029, IBM aspiră să construiască un prototip cuantic tolerant la erori demonstrabil, aliniindu-se cu competitori precum Google în ceea ce privește acest obiectiv finalhpcwire.com.

Pe partea de hardware, este probabil ca IBM să continue seria de procesoare cu tematică de păsări dincolo de Kookaburra. Foia de parcurs după 2025 nu este complet publică, dar IBM a sugerat că explorează sisteme multi-chip și mai mari și poate tehnologii hibride. De exemplu, viziunea IBM pentru un supercomputer centrat pe cuantic implică în cele din urmă legături de comunicație cuantică ce pot conecta clustere de cipuri pe distanță, nu doar în același frigider newsroom.ibm.com. Am putea vedea IBM integrând interconectări cu fibră optică sau alte metode pentru a lega procesoare cuantice în criostate diferite – asemănător cu o rețea locală cuantică. Acest lucru ar deschide calea către zeci de mii sau chiar milioane de qubiți pe termen lung, ceea ce IBM recunoaște că va fi necesar pentru a rezolva cele mai dificile probleme (și pentru corecția completă a erorilor) newsroom.ibm.com, insidehpc.com. În cuvintele proprii ale IBM, abordarea lor modulară și interconectată ar trebui să permită scalarea la „sute de mii de qubiți” în timp newsroom.ibm.com. Sistemul cu 4.000 de qubiți este practic prima implementare a unei arhitecturi de supercomputer cuantic care poate crește prin conectarea mai multor module.

Foia de parcurs mai largă a IBM implică și dezvoltarea ecosistemului cuantic. Compania investește în educație, parteneriate și accesibilitate cloud astfel încât, atunci când hardware-ul va fi gata, să existe deja o comunitate pregătită să-l folosească. De exemplu, IBM a încheiat parteneriate cu laboratoare naționale, universități și chiar guverne regionale (precum în Japonia, Coreea, Germania și Spania) pentru a găzdui sisteme cuantice și a stimula dezvoltarea locală. Planul de a implementa primul IBM Quantum System Two din Europa în Spania până în 2025 tomorrowdesk.com face parte din această strategie – să ofere acces direct la hardware cuantic avansat unui număr cât mai mare de persoane. Conducerea IBM prevede că calculul cuantic va deveni un diferențiator cheie pentru afaceri în anii următori thequantuminsider.com, iar ei doresc să fie în centrul acestei economii cuantice emergente.

În concluzie, proiectul supercomputerului cu peste 4.000 de qubiți al IBM reprezintă un salt istoric în ceea ce privește scala calculului cuantic. Dacă va avea succes, va marca tranziția de la procesoare cuantice izolate, experimentale, la sisteme cuantice interconectate care se apropie de pragul utilității practice. Această inițiativă se află la intersecția dintre fizica de ultimă oră, inginerie și informatică. Este la fel de mult o realizare software, cât și una hardware, necesitând noi modalități de a gestiona și programa un tip cu totul nou de supercomputer. Lumea urmărește cu atenție – nu doar pentru numărul record de qubiți, ci și pentru a vedea dacă IBM poate demonstra rezultate utile cu această mașină care să depășească ceea ce pot face computerele clasice.

La mijlocul anului 2025, IBM se află la un pas de această realizare: designul hardware-ului este în mare parte stabilit, prototipurile inițiale funcționează, iar compania se grăbește să integreze totul într-un supercomputer funcțional. Succesul nu este garantat, dar impulsul și progresul de până acum sunt de necontestat. Chiar și concurenții și scepticii ar fi de acord că IBM a propulsat dramatic domeniul înainte. Pe măsură ce așteptăm debutul complet al supercomputerului cuantic al IBM, un lucru este clar – intrăm într-un nou capitol al epopeii calculului. După cum a proclamat chiar IBM, viitorul supercomputer centrat pe cuantică este pregătit să devină „o tehnologie esențială pentru cei care rezolvă cele mai dificile probleme, cei care fac cele mai revoluționare cercetări și cei care dezvoltă cea mai avansată tehnologie” insidehpc.com.

Următorii câțiva ani vor arăta dacă această promisiune va fi îndeplinită, dar dacă pariul IBM va da roade, 4.000 de qubiți ar putea cu adevărat schimba calculul pentru totdeauna – deschizând calea către soluții pentru probleme pe care cândva le-am considerat imposibile și anunțând zorii erei calculului cuantic.

Surse:

• 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 dezvăluie supercomputerul cuantic care ar putea atinge 4.000 de qubiți până în 2025 techmonitor.ai
• IEEE Spectrum: Ținta IBM: un procesor cu 4.000 de qubiți până în 2025 (analiză a foii de parcurs și a provocărilor) spectrum.ieee.org
• InsideHPC: IBM la Think 2022 – viziunea supercomputerelor centrate pe cuantic insidehpc.com
• The Quantum Insider: Foile de parcurs pentru calculul cuantic ale principalilor jucători (IBM, Google, IonQ, etc.) thequantuminsider.com
• TomorrowDesk: Prezentare generală a obiectivului IBM pentru supercomputerul cuantic din 2025 și a designului modular tomorrowdesk.com
• Post-Quantum (blog de industrie): Despre numărul de qubiți necesari pentru a sparge criptarea RSA-2048 postquantum.com
• TechMonitor: Citate de la Dr. Darío Gil de la IBM și statistici despre IBM Quantum Network techmonitor.ai