- IBM планирует создать квантовый суперкомпьютер с более чем 4 000 кубитами к 2025 году, объединив три чипа Kookaburra по 1 386 кубитов в единую систему из 4 158 кубитов.
- Модульная платформа Quantum System Two, представленная в 2023 году, предназначена для размещения нескольких чипов и оснащена криогенным холодильником и передовой управляющей электроникой.
- В конце 2023 года IBM запустила первый Quantum System Two, который работал с тремя 133-кубитными процессорами Heron параллельно.
- К концу 2025 года IBM планирует разместить три чипа Kookaburra на System Two, создав единую машину с 4 158 кубитами.
- IBM использует короткодействующие соединители между чипами и криогенные линии для объединения чипов в единую вычислительную структуру.
- Компания называет этот подход квантово-центричным суперкомпьютингом, объединяя QPU с CPU и GPU в единую вычислительную ткань.
- Qiskit Runtime и circuit knitting позволяют разработчикам запускать крупные квантовые задачи на нескольких чипах с встроенным снижением ошибок.
- Система с более чем 4 000 кубитами будет работать в режиме NISQ в 2025 году, полагаясь на снижение ошибок, а не на полноценную квантовую коррекцию ошибок.
- Эксперты оценивают, что для взлома RSA-2048 потребуется около 4 000 логических кубитов с коррекцией ошибок, что, вероятно, означает миллионы физических кубитов.
- Среди конкурентов — Google, нацеленная на отказоустойчивые квантовые вычисления к 2029 году, IonQ, развивающая алгоритмические кубиты, Quantinuum, делающая ставку на высокую точность и отказоустойчивость, и D-Wave, предлагающая систему отжига с более чем 5 000 кубитами.
IBM находится на пороге квантового прорыва: «квантовый суперкомпьютер» с более чем 4 000 кубитами к 2025 году. Амбициозный план технологического гиганта — часть более широкой квантовой стратегии — обещает революционизировать вычисления, решая задачи, с которыми не справляются даже самые быстрые современные суперкомпьютеры. В этом обзоре мы разберём квантовый путь IBM, устройство её системы с 4 000+ кубитами, мнения экспертов (и хайп), сравнение с конкурентами вроде Google и IonQ, а также то, что может значить появление 4 000-кубитной машины для мира.
Предыстория: Квантовый путь IBM
IBM была пионером в квантовых вычислениях, возглавляя развитие как аппаратного, так и программного обеспечения. Ещё в 2020 году IBM представила квантовую дорожную карту и с тех пор выполняла все намеченные этапы. В 2021 году они продемонстрировали 127-кубитный процессор Eagle — чип настолько сложный, что его схемы «невозможно надёжно смоделировать на классическом компьютере» insidehpc.com. В 2022 году IBM представила чип Osprey с 433 кубитами — значительный шаг вперёд по сравнению с Eagle по количеству кубитов techmonitor.ai. Совсем недавно, в конце 2023 года, IBM достигла отметки в 1 121 кубит с процессором Condor — первым квантовым процессором, преодолевшим барьер в тысячу кубитовtomorrowdesk.com. Каждый из этих шагов заложил важную основу для масштабирования до тысяч кубитов.
Но стратегия IBM заключается не только в увеличении числа кубитов. Компания делает ставку на полноценный стек: надёжное квантовое оборудование, интеллектуальное квантовое программное обеспечение и широкую экосистему пользователей и партнёров newsroom.ibm.com, insidehpc.com. В 2016 году IBM первой разместила квантовый компьютер в облаке для публичного доступа, и сегодня более 200 организаций и 450 000 пользователей подключены к квантовым сервисам IBM через облако techmonitor.ai. Программная платформа IBM (Qiskit) и среда Qiskit Runtime позволяют разработчикам эффективно запускать квантовые программы, используя встроенные инструменты для снижения ошибок и организации гибридных квантово-классических вычислений newsroom.ibm.com, insidehpc.com. Такая тесная интеграция аппаратного и программного обеспечения — вместе с сетью академических и отраслевых партнёров — лежит в основе более широкой цели IBM: принести полезные квантовые вычисления в мир, а не просто демонстрировать лабораторные прототипы.IBM называет это видение «квантово-центрированными суперкомпьютерами». Суть идеи — в будущем интегрировать квантовые процессоры (QPU) с классическими CPU и GPU в единую вычислительную среду insidehpc.com. Как современные суперкомпьютеры объединяют CPU и AI-ускорители для работы с ИИ-задачами, так и IBM видит будущее, где суперкомпьютеры объединяют квантовые и классические вычислительные модули для решения задач, которые не под силу ни одной из технологий по отдельности insidehpc.com. По словам доктора Джея Гамбетты, вице-президента IBM по квантовым технологиям: «Сейчас IBM открывает эру квантово-центрированных суперкомпьютеров, где квантовые ресурсы — QPU — будут интегрированы с CPU и GPU в единую вычислительную ткань», чтобы решать «самые сложные задачи» науки и промышленности insidehpc.com. Это смелое видение, выходящее за рамки простого увеличения скорости вычислений; речь идёт об изменении самой сути вычислительных систем.
Проектирование квантового суперкомпьютера с более чем 4 000 кубитами
Как построить квантовый компьютер с более чем 4 000 кубитами? Ответ IBM: модульность. Вместо одного гигантского чипа IBM объединяет несколько меньших квантовых чипов в одну систему — немного похоже на соединение узлов в суперкомпьютере. Платформа следующего поколения компании, называемая IBM Quantum System Two, специально разработана для этого. Представленная в 2023 году, System Two — это первая модульная система квантовых вычислений от IBM, оснащённая передовым криогенным холодильником и управляющей электроникой, которые могут одновременно поддерживать несколько квантовых процессоров techmonitor.ai, newsroom.ibm.com. Это физический «дом», который будет размещать будущий парк соединённых чипов IBM, охлаждаемых почти до абсолютного нуля. Объединяя чипы, IBM может быстро увеличивать количество кубитов, не создавая при этом невозможные по размеру одиночные чипы — подход, критически важный для перехода от сотен к тысячам кубитов.
Рисунок: Видение IBM квантового суперкомпьютера — объединить несколько квантовых чипов в одну систему. В 2025 году IBM планирует представить «Kookaburra» — процессор на 1 386 кубитов с квантовыми коммуникационными связями; три чипа Kookaburra можно объединить в единую систему на 4 158 кубитов ibm.com. Такая модульная архитектура позволяет IBM масштабироваться до тысяч кубитов, объединяя меньшие процессоры в сеть, а не полагаясь на один огромный чип.
Сердцем плана IBM по созданию квантового компьютера на 4000 кубитах является новая серия процессоров с птичьими кодовыми именами. В 2024 году IBM планирует выпустить «Flamingo», чип на 462 кубита, предназначенный для тестирования квантовой связи между чипами ibm.com. IBM собирается продемонстрировать архитектуру Flamingo, объединив три процессора Flamingo в одну систему на 1386 кубитов – по сути, показав, что несколько чипов могут работать вместе, как один ibm.com. Затем наступает главное событие: в 2025 году IBM представит «Kookaburra» — процессор на 1386 кубитов, созданный для модульного масштабирования ibm.com. Благодаря встроенным каналам связи три чипа Kookaburra могут быть объединены в одну машину с 4158 кубитами ibm.com. По словам IBM, это будет первый квантово-центричный суперкомпьютер, преодолевающий рубеж в 4000 кубитов.Как выглядит эта архитектура? По сути, IBM использует короткодействующие соединители между чипами и криогенные линии связи, чтобы объединять кубиты на разных чипах spectrum.ieee.org. Представьте себе каждый чип как «плитку» из кубитов; соединители позволяют соседним плиткам обмениваться квантовой информацией, а специальные микроволновые кабели могут соединять чипы, находящиеся чуть дальше друг от друга spectrum.ieee.org. Задача состоит в том, чтобы кубиты на разных чипах вели себя почти так же, как если бы они находились на одном чипе — а это непросто, поскольку квантовые состояния очень хрупкие. IBM разрабатывает новые технологии соединителей, чтобы поддерживать когерентность спутанных кубитов между чипами tomorrowdesk.com. System Two обеспечивает ультрахолодную, свободную от вибраций среду и гибкую систему проводки для поддержки таких многочиповых сетей techmonitor.ai. Всем этим управляет «интеллектуальный» управляющий слой (ПО и классические вычисления), который координирует квантовые операции между разными чипами, заставляя их работать согласованно insidehpc.com.
Согласно графику IBM, система с более чем 4 000 кубитами должна заработать к какому-то моменту в 2025 году techmonitor.ai. На самом деле, первые элементы уже установлены. В конце 2023 года на саммите IBM Quantum Summit компания IBM запустила первую Quantum System Two, работающую на трех меньших 133-кубитных процессорах “Heron” параллельно newsroom.ibm.com. Это послужило прототипом: Heron — это относительно малокубитный чип, но с значительно улучшенными показателями ошибок, и IBM использовала System Two, чтобы показать, что она может управлять несколькими процессорами вместе как единой системой newsroom.ibm.com. В течение следующего года или двух IBM увеличит масштаб — заменяя чипы на более крупные (такие как Flamingo, а затем Kookaburra) и объединяя их большее количество. Цель состоит в том, чтобы к концу 2025 года IBM Quantum System Two содержала три чипа Kookaburra и, таким образом, более 4 000 связанных кубитов в одной машине techmonitor.ai. Если смотреть дальше, IBM даже планирует соединять несколько System Two: например, соединение трех таких систем может дать кластер из более чем 16 000 кубитов в будущем techmonitor.ai. Другими словами, 4 000 кубитов — это не конечная цель, а ступень к еще более крупным квантовым машинам, создаваемым путем объединения модулей, подобно тому, как классические суперкомпьютеры масштабируются с помощью множества узлов.
Видение IBM: мнения лидеров квантовой отрасли
Квантовая команда IBM, разумеется, взволнована — и настроена оптимистично — по поводу того, что означает этот скачок до 4000 кубитов. Директор по исследованиям IBM, доктор Дарио Хиль, часто говорил о наступлении новой эры практических квантовых вычислений. «Реализация нашего видения дала нам четкое представление о будущем квантовых технологий и о том, что потребуется для наступления эры практических квантовых вычислений», — сказал Хиль, когда IBM расширила свою дорожную карту newsroom.ibm.com. С целью в 4000+ кубитов на горизонте он охарактеризовал это как начало «эры квантово-центричных суперкомпьютеров, которые откроют большие и мощные вычислительные пространства» для разработчиков, партнеров и клиентов newsroom.ibm.com. Другими словами, IBM рассматривает это как рассвет квантовых компьютеров, которые уже не просто лабораторные эксперименты, а мощные инструменты для реального применения.
Джей Гамбетта, IBM Fellow и вице-президент по квантовым технологиям, назвал 2023 год важнейшей точкой перелома — моментом, когда концепция квантово-центричного суперкомпьютера стала реальностью в виде прототипа techmonitor.ai. По словам Гамбетты, просто иметь больше кубитов недостаточно; «квантово-центричные суперкомпьютеры потребуют не только большого количества кубитов», — объяснил он, — также необходима большая глубина схем и тесная интеграция с классическими системами techmonitor.ai. Это отражает акцент IBM на качестве кубитов и бесшовном объединении квантовых и классических вычислений. «Наша миссия — принести полезные квантовые вычисления в мир», — сказал Гамбетта. «Мы продолжим предоставлять лучшее полнофункциональное квантовое предложение в отрасли — а индустрии предстоит использовать эти … системы на практике» techmonitor.ai. Посыл: IBM предоставит оборудование и программное обеспечение, а они ожидают, что бизнес и исследователи начнут использовать их для значимых задач.
На саммите Quantum Summit 2023 команда IBM выразила оптимизм относительно зрелости технологии. «Мы твердо находимся в эпохе, когда квантовые компьютеры используются как инструмент для исследования новых рубежей науки», — отметил доктор Дарио Гил, подчеркнув, что квантовые машины больше не являются просто диковинкой newsroom.ibm.com. Он выделил успехи IBM в масштабировании этих систем с помощью модульного дизайна и пообещал «дальнейшее повышение качества квантовой технологической платформы утилитарного масштаба — и передачу ее в руки наших пользователей и партнеров, которые будут раздвигать границы более сложных задач» newsroom.ibm.com. По сути, по мере увеличения числа кубитов IBM также работает над тем, чтобы улучшить достоверность кубитов и «интеллект» программного обеспечения, чтобы эти тысячи кубитов действительно могли выполнять полезную работу над сложными задачами.
IBM даже использует яркую метафору для описания грядущих изменений. Компания сравнивает переход от сегодняшних зарождающихся квантовых компьютеров к квантовому суперкомпьютеру 2025 года с «заменой бумажных карт на спутники GPS» в навигации ibm.com. Это выразительный образ: квантовые суперкомпьютеры могут провести нас через вычислительные задачи принципиально новым способом, так же как GPS революционизировал способы ориентирования. Совпадет ли реальность с оптимизмом IBM — еще предстоит узнать, но нет сомнений, что лучшие умы компании уверены: они на пороге чего-то грандиозного.
Что говорят эксперты: хайп и проверка реальностью
Заявление IBM о 4000-кубитном процессоре вызвало большой резонанс, но внешние эксперты часто напоминают нам сохранять трезвые ожидания. Один из ключевых моментов, на который они указывают: большее количество кубитов само по себе не гарантирует полезных результатов. Современные квантовые биты «шумные» — они подвержены ошибкам, — поэтому простое объединение тысяч несовершенных кубитов не решает проблемы, если эти кубиты не могут сохранять когерентность. IEEE Spectrum отметил, что план IBM должен сопровождаться «интеллектуальным программным слоем», который будет управлять ошибками и координировать гибридную квантово-классическую рабочую нагрузку spectrum.ieee.org. На самом деле, мощная новая программная платформа может стать «ключом к получению какой-либо пользы» от 4000-кубитного процессора, обеспечивая смягчение ошибок и распределение задач между квантовым оборудованием и классическими сопроцессорами spectrum.ieee.org. Короче говоря, простое количество кубитов — это еще не всё — то, как вы используете и управляете этими кубитами, не менее важно.
Некоторые отраслевые наблюдатели также отмечают разрыв между физическими кубитами и логическими кубитами. Логический кубит — это кубит с коррекцией ошибок, по сути, кластер из множества физических кубитов, работающих вместе, чтобы действовать как один очень надёжный кубит. Эксперты оценивают, что для взлома современной криптографии (например, 2048-битных RSA-ключей, защищающих онлайн-безопасность) потребуется порядка 4 000 логических кубитов с коррекцией ошибок — что на практике может означать миллионы физических кубитов с учётом текущих накладных расходов на коррекцию ошибок postquantum.com. Как выразился один аналитик по безопасности, «4 000 логических кубитов — это не то же самое, что 4 000 реальных кубитов» — полностью защищённый от ошибок квантовый компьютер с тысячами логических кубитов всё ещё остаётся далёкой мечтой postquantum.com. 4-тысячекубитная машина IBM будет далека от этого идеала отказоустойчивости; она будет состоять из физических кубитов, для которых необходимы изощрённые методы смягчения ошибок, чтобы быть полезными. Исследователи спешат предупредить, что не стоит ожидать, что эта машина, например, взломает интернет-шифрование или решит все неразрешимые задачи за одну ночь.
Тем не менее, агрессивная дорожная карта IBM действительно выводит её вперёд многих конкурентов в гонке за количеством кубитов, и некоторые эксперты хвалят модульный подход как прагматичный способ масштабирования. «Мы считаем, что классические ресурсы действительно могут расширить возможности квантовых вычислений и позволить получить максимум от этого квантового ресурса», отметил Блейк Джонсон, руководитель Quantum Platform в IBM, подчеркнув необходимость взаимодействия между квантовыми и классическими вычислениями для использования этих крупных систем spectrum.ieee.org. Эта мысль широко поддерживается: будущее — за «квантово-классическим» тандемом.
Конкурирующие видения: IBM против Google, IonQ и других
IBM не единственная компания, участвующая в квантовой гонке, но её стратегия отличается от других крупных игроков. Например, Google уделяет меньше внимания количеству кубитов в ближайшей перспективе и больше сосредоточена на создании полностью исправляющего ошибки квантового компьютера. Дорожная карта Google предусматривает создание полезной, исправляющей ошибки квантовой машины к 2029 году, и компания последовательно работает над демонстрацией логических кубитов и снижением ошибок, а не пытается побить рекорды по количеству кубитов thequantuminsider.com. (Текущие устройства Google, такие как 72-кубитный Bristlecone или более новые версии 53-кубитного Sycamore, имеют гораздо меньше кубитов, чем у IBM, но недавно Google показала, что увеличение числа физических кубитов в одном логическом кубите может снизить уровень ошибок, что является многообещающим шагом к масштабируемости thequantuminsider.com.) В публичных заявлениях руководство Google прогнозирует, что квантовые вычисления начнут оказывать реальное влияние через 5–10 лет thequantuminsider.com. Таким образом, пока IBM стремится к прототипу с 4000 кубитами, Google делает ставку на долгосрочную цель — создание полностью отказоустойчивого квантового компьютера, даже если в ближайшее время у неё будет только несколько десятков кубитов.Quantinuum (компания, созданная Honeywell и Cambridge Quantum), также является крупным игроком, но использует другой технологический подход: кубиты на основе ионных ловушек. Quantinuum не стремится сразу получить тысячи физических кубитов — их последняя система на ионных ловушках содержит порядка 50–100 высокоточных кубитов, — но они уже продемонстрировали рекордный квантовый объём (показатель общей производительности) и даже создали 12 «логических» кубитов с помощью коррекции ошибок в 2024 году thequantuminsider.com. Дорожная карта Quantinuum предусматривает полностью отказоустойчивые квантовые вычисления к 2030 году, а компания делает акцент на достижении «трёх девяток» точности (99,9% надёжности) и прорывах в области логических кубитов как этапах развития thequantuminsider.com. Генеральный директор компании, Раджиб Хазра, утверждает, что качество и прогресс в коррекции ошибок откроют для квантовых технологий «рынок на триллион долларов» и заявляет, что у Quantinuum «самая надёжная дорожная карта в отрасли по достижению… отказоустойчивых квантовых вычислений» thequantuminsider.com. В целом, Quantinuum делает ставку на совершенствование кубитов и коррекцию ошибок, даже если это означает меньшее их количество на данном этапе — в отличие от крупной ставки IBM на масштабирование и борьбу с шумом с помощью методов смягчения.
Еще один ключевой конкурент, IonQ, также использует технологию ионных ловушек и, как и IBM, делает акцент на качестве кубитов. Руководство IonQ часто подчеркивает «алгоритмические кубиты» — внутренний показатель, учитывающий уровень ошибок и связанность, — а не просто количество физических кубитов thequantuminsider.com. Дорожная карта IonQ нацелена на «широкое квантовое превосходство к 2025 году», но за счет постоянного повышения производительности своих кубитов и создания модульных, стоечных ионных ловушек, а не за счет достижения определенного высокого количества кубитов thequantuminsider.com. На самом деле, IonQ предполагает, что потребуется всего несколько десятков высококачественных кубитов, чтобы превзойти гораздо более крупные шумные квантовые компьютеры в ряде задач. Бывший генеральный директор Питер Чапман предсказал, что технология IonQ «станет ключевой для коммерческого квантового превосходства», при этом делая акцент на алгоритмических кубитах, а не на их физическом количестве как на ключе к полезным приложениям thequantuminsider.com. Эта философия подчеркивает дискуссию в отрасли: является ли квантовые вычисления «игрой чисел» (больше кубитов быстрее) или «игрой качества» (лучшие кубиты, даже если масштабирование идет медленнее)? IBM делает ставку на количество (не забывая и о качестве), тогда как IonQ твердо придерживается подхода «качество прежде всего».
Есть еще и Rigetti Computing, более мелкий игрок на рынке сверхпроводящих кубитов. Дорожная карта Rigetti столкнулась с задержками — компания надеялась достичь 1000 кубитов с помощью многокристальных модулей к 2024 году, но на практике их системы пока насчитывают лишь десятки кубитов. По состоянию на середину 2025 года Rigetti нацелена на более скромную систему из 100+ кубитов к концу 2025 года thequantuminsider.com, сосредотачиваясь на повышении точности и производительности двухкубитных вентилей. Компании сложно идти в ногу с быстрым масштабированием IBM, что иллюстрирует, насколько сложно новичкам соперничать с ресурсами и экспертизой IBM в этой области. Тем не менее, Rigetti и другие способствуют инновациям (например, Rigetti была одной из первых, кто внедрил многокристальные интеграции), и они подчеркивают, что преимущество IBM не является непреодолимым, если появятся фундаментальные прорывы (например, лучшие конструкции кубитов или новые материалы).
Также стоит упомянуть D-Wave Systems в этом контексте. D-Wave, канадская компания, сегодня имеет квантовые машины для отжига (другая модель квантовых вычислений) с более чем 5 000 кубитов thequantuminsider.com. Однако кубиты D-Wave предназначены для решения задач оптимизации с помощью отжига, а не для выполнения общих квантовых алгоритмов. Они достигают высокого количества кубитов благодаря специализированной архитектуре, но эти кубиты не могут запускать произвольные квантовые схемы, как устройства IBM или Google. Генеральный директор D-Wave, Алан Баратц, отметил, что их технология уже приносит пользу в некоторых приложениях (например, оптимизация графиков в ритейле или маршрутизация в телекоммуникациях) thequantuminsider.com. Существование системы D-Wave на 5 000 кубитов напоминает, что не все кубиты одинаковы – кубиты D-Wave полезны для конкретных задач, но их нельзя напрямую сравнивать с кубитами квантовых компьютеров на логических элементах. Цель IBM в 4 000+ кубитов относится к универсальным кубитам на логических элементах, что гораздо сложнее и функциональнее.В итоге, IBM выделяется агрессивным масштабированием аппаратного обеспечения на сверхпроводящих кубитах и стремлением интегрировать его с классическими вычислениями в короткие сроки. Google фокусируется на этапах коррекции ошибок, Quantinuum и IonQ делают ставку на точность кубитов (с меньшим их числом в ближайшей перспективе), а такие компании, как Rigetti, отстают с более компактными устройствами. У каждого подхода есть свои плюсы. Если IBM добьется успеха, она задаст высокую планку по количеству кубитов и, возможно, раньше достигнет квантового преимущества в полезных задачах. Но если кубиты будут слишком шумными, эти 4 000 кубитов могут уступить 100 отличным кубитам конкурента. Следующие пару лет станут захватывающей гонкой между разными философиями в квантовых вычислениях – и не факт, что всегда побеждает большее число кубитов, если их не сопровождают качество и умное программное обеспечение.
Почему 4 000 кубитов? Потенциальные применения и вызовы
Что на самом деле сможет квантовый компьютер на 4 000 кубитов, если он будет работать как задумано? Для сравнения: сегодняшние квантовые компьютеры (с десятками или сотнями кубитов) еще не смогли явно превзойти классические компьютеры ни в одной практической задаче. IBM и другие считают, что, выйдя на уровень тысяч кубитов, мы войдем в зону, где полезное квантовое преимущество станет возможным для определенных классов задач tomorrowdesk.com. Вот некоторые применения и эффекты, которые может открыть система на 4 000 кубитов:
- Химия и материаловедение: Квантовые компьютеры особенно хорошо подходят для моделирования молекулярных и атомных систем. Даже самые мощные классические суперкомпьютеры с трудом моделируют поведение сложных молекул и химических реакций с точностью. Исследователи IBM отмечают, что «немногие области получат выгоду от квантовых вычислений так быстро, как химия», потому что квантовые машины могут естественным образом обрабатывать квантовую природу химических взаимодействий ibm.com. Система на 4000 кубитах потенциально может моделировать молекулы среднего размера или новые материалы с высокой точностью — что поможет в разработке лекарств, создании новых материалов (для батарей, удобрений, сверхпроводников и др.) и понимании сложных химических процессов. Это задачи, где классические методы упираются в стену из-за экспоненциальной сложности. К 2025 году IBM ожидает, что квантовые компьютеры начнут исследовать полезные приложения в естественных науках, таких как химия ibm.com.
- Оптимизация и финансы: Многие задачи из реального мира — от логистики цепочек поставок до оптимизации портфелей — связаны с поиском наилучшего решения среди астрономического количества вариантов. Квантовые компьютеры с такими алгоритмами, как QAOA или методами квантового отжига, предлагают новые подходы к решению некоторых задач оптимизации. Машина с тысячами кубитов сможет решать более крупные задачи или выдавать более точные решения, чем современные устройства. Генеральный директор IBM Арвинд Кришна предположил, что квантовые вычисления позволят создавать новые алгоритмы для оптимизации, которые бизнес сможет использовать, что потенциально станет ключевым отличием для таких отраслей, как финансы, энергетика и производство thequantuminsider.com. Например, система на 4000 кубитах может решать сложные задачи анализа рисков или оптимизации маршрутов, которые классические алгоритмы не могут решить за разумное время.
- Машинное обучение и искусственный интеллект: Активно ведутся исследования в области квантового машинного обучения, где квантовые компьютеры могут ускорить определённые задачи машинного обучения или предложить новые возможности моделирования. С тысячами кубитов квантовые компьютеры смогут реализовывать модели квантовых нейронных сетей или выполнять более быстрые подпрограммы линейной алгебры, лежащие в основе алгоритмов МО. IBM рассматривает машинное обучение как тестовый пример для квантовых приложений — ожидая, что к 2025 году квантовые компьютеры будут использоваться для изучения кейсов машинного обучения наряду с классическим МО, возможно, улучшая распознавание паттернов в данных или оптимизацию моделей МО ibm.com. Практический пример — квантово-ускорённый выбор признаков или кластеризация на сложных наборах данных, что может быть ускорено квантовыми подпрограммами.
- Научные исследования и «Грандиозные задачи»: Помимо целевых отраслей, квантовый суперкомпьютер на 4000 кубитах стал бы благом для фундаментальной науки. Его можно было бы использовать для моделирования сценариев физики высоких энергий, оптимизации дизайна квантовых материалов или даже для изучения вопросов криптографии и математики. IBM упоминала естественные науки в целом – например, задачи в области физики или биологии, которые в настоящее время являются неразрешимыми, могут поддаться гибридному квантовому подходу ibm.com. Представьте себе проектирование катализаторов для улавливания углерода или анализ квантовых систем в ядерной физике – это чрезвычайно сложные вычисления, где квантовый компьютер может дать новые идеи. Исследователи IBM указывали на приложения в химии, оптимизации и машинном обучении как на ранние цели для достижения квантового преимущества ibm.com.
Это блестящее обещание – но что насчет проблем? Квантовый компьютер на 4000 кубитах столкнется с серьезными трудностями:
- Шум и уровень ошибок: Современные кубиты подвержены ошибкам; они декогерируют (теряют свое квантовое состояние) за микросекунды, а операции («врата») между кубитами несовершенны. С всего лишь 50-100 кубитами квантовые алгоритмы могут выполнять только очень короткую последовательность операций до того, как ошибки исказят результат. Если у вас тысячи кубитов, проблема шума многократно возрастает. На самом деле, соединение трех чипов (как планирует IBM) может ввести еще больше ошибок из-за немного более медленных и менее точных операций между чипами ibm.com. IBM признает это и разрабатывает программное обеспечение System Two так, чтобы оно было «осведомлено» об архитектуре – например, чтобы планировать критические операции на одном чипе и тщательно управлять более медленными межчиповыми операциями ibm.com. Без коррекции ошибок (которая не будет полностью реализована к 2025 году) IBM будет полагаться на смягчение ошибок: хитрые приемы для уменьшения влияния ошибок. Это включает такие методы, как вероятностная компенсация ошибок, когда вы намеренно вносите дополнительный шум, чтобы узнать о нем, а затем классически обрабатываете результаты для компенсации ошибок spectrum.ieee.org. Эти методы вычислительно затратны и не идеальны, но исследования IBM показывают, что некоторые из них могут масштабироваться до устройств такого размера spectrum.ieee.org. Тем не менее, управление шумом – это центральная проблема: именно поэтому квантовые компьютеры еще не решили реальные задачи, и машина на 4000 кубитах будет успешной только в том случае, если IBM сможет достаточно контролировать ошибки для проведения глубоких вычислений.
- Коррекция ошибок и логические кубиты: Долгосрочным решением проблемы шума является квантовая коррекция ошибок (QEC), которая будет объединять множество физических кубитов в один логический кубит, способный пережить ошибки. Система IBM на 4000 кубитов, вероятно, всё ещё будет работать в режиме «NISQ» (шумные квантовые устройства среднего масштаба), то есть без масштабной коррекции ошибок — просто не будет достаточно кубитов, чтобы полностью корректировать ошибки для всех 4000. (Для сравнения: превращение даже нескольких тысяч физических кубитов в несколько логических может занять всю машину.) Тем не менее, IBM закладывает основы для коррекции ошибок. Компания активно исследует новые QEC-коды (например, квантовый LDPC-код, который более эффективно использует кубиты по сравнению с традиционными поверхностными кодами) и быстрые декодеры ошибок thequantuminsider.com. На самом деле, недавно IBM продлила свою дорожную карту до 2033, явно отдавая приоритет улучшению качества вентилей и разработке модулей с коррекцией ошибок после 2025 года newsroom.ibm.com. Суперкомпьютер на 4000 кубитов можно рассматривать как мост: он должен быть достаточно большим, чтобы выполнять некоторые полезные задачи с смягчением ошибок, одновременно обучая IBM внедрять частичную коррекцию ошибок в масштабе. IBM даже объявила о плане создания прототипа отказоустойчивого квантового компьютера к 2029 году hpcwire.com, что указывает на то, что коррекция ошибок действительно стоит у них на повестке дня, как только будет достигнут рубеж в 4000 кубитов. Тем не менее, достижение полностью корректируемых (логических) кубитов потребует на порядки больше кубитов или гораздо лучшей точности кубитов — скорее всего, сочетания и того, и другого.
- Программное обеспечение и инструменты для разработчиков: Даже если у вас есть квантовая машина на 4000 кубитах, вам нужно программное обеспечение, которое сможет эффективно её использовать. Квантовые алгоритмы необходимо отображать на это сложное многокристальное оборудование. IBM решает эту задачу с помощью таких инструментов, как Qiskit Runtime и Quantum Serverless архитектура. Они позволяют пользователю разбивать задачу на меньшие квантовые схемы, запускать их параллельно на разных квантовых чипах и объединять результаты с помощью классической обработки ibm.com. Например, «сшивание схем» — это одна из таких техник, на которую обращает внимание IBM: большая схема разбивается на части, которые помещаются на меньших процессорах, а затем результаты объединяются классически ibm.com. К 2025 году IBM планирует внедрить такие функции, как динамические схемы (когда результаты измерений могут влиять на будущие операции в реальном времени) и встроенное подавление ошибок на своей облачной платформе ibm.com. Задача будет заключаться в том, чтобы сделать всё это удобным для разработчиков. IBM хочет, чтобы квантовые вычисления были доступны, чтобы специалисты по данным и отраслевые эксперты (а не только квантовые PhD) могли использовать эти 4000 кубитов ibm.com. Достижение хорошей абстракции — когда пользователь может, например, вызвать высокоуровневую функцию для моделирования молекулы, а система сама определит, как задействовать для этого 4000 кубитов — будет ключевым для практической пользы. Подход IBM здесь — концепция квантового промежуточного ПО и «магазина приложений» квантовых примитивов: готовых функций для типовых задач, таких как выборка распределений вероятностей или оценка свойств систем ibm.com. Если это удастся, то химику в 2025 году, возможно, не придётся знать детали аппаратного обеспечения; он сможет просто использовать программное обеспечение IBM, чтобы получить доступ к мощности 4000 кубитов для своей симуляции.
- Физическая инфраструктура: Масштабирование до тысяч кубитов — это не только вычислительная задача, но и инженерский марафон. Квантовые процессоры должны охлаждаться до милликельвиновых температур — холоднее, чем в открытом космосе. IBM пришлось разработать новый разбавительный криостат (IBM Quantum System Two), который больше и модульнее предыдущих, чтобы разместить несколько чипов и всю их управляющую проводку techmonitor.ai. Холодильник, электроника и кабели становятся всё сложнее по мере добавления кубитов. Тысячи кубитов означают тысячи микроволновых управляющих линий, сложную фильтрацию для предотвращения утечки тепла и шума к кубитам, а также огромные потоки данных от считывания кубитов. Инженеры IBM сравнивают сложность масштабирования квантовых систем со сложностью ранних суперкомпьютеров или космических миссий. К 2025 году IBM ожидает «устранить основные препятствия на пути масштабирования» с помощью модульного оборудования и сопутствующей управляющей электроники ibm.com, но стоит отметить, что сейчас IBM только сталкивается с этими границами. System Two в Нью-Йорке по сути является прототипом для управления такой сложностью newsroom.ibm.com. IBM также устанавливает System Two в Европе (в партнерстве с правительством Страны Басков в Испании) к 2025 году tomorrowdesk.com, чтобы проверить, как эта передовая инфраструктура может быть воспроизведена за пределами собственной лаборатории IBM. Успех этих внедрений станет важным доказательством того, что инженерные коммуникации и проводка квантового суперкомпьютера могут быть надёжными и обслуживаемыми.
Учитывая эти сложности, эксперты сдерживают ажиотаж, отмечая, что 4000-кубитная машина IBM, скорее всего, будет высокоспециализированным инструментом. Она может превзойти классические суперкомпьютеры в отдельных задачах (квантовые химические симуляции, определённые оптимизационные или задачи машинного обучения, как упоминалось), достигнув квантового преимущества или даже проблесков квантового превосходства в полезных контекстах. Однако это не сделает классические компьютеры устаревшими в одночасье. На самом деле, для многих задач классические суперкомпьютеры и GPU всё ещё будут быстрее или практичнее. Дорожная карта самой IBM признаёт эту синергию: квантовый суперкомпьютер предназначен для работы вместе с классическими HPC, каждый из которых делает то, что у него получается лучше всего tomorrowdesk.com. Поэтому 4000-кубитную систему стоит рассматривать как один из первых настоящих «квантовых ускорителей» — то, что используется наряду с классическими вычислениями для решения действительно сложных задач, которые классические машины не могут решить в одиночку. Это значительный шаг к конечной мечте о безошибочных квантовых вычислениях, но не конечная цель.
Дорога вперёд: квантовая дорожная карта IBM после 2025 года
Сверхкомпьютер IBM с более чем 4000 кубитами — это важная веха, но это часть более долгосрочной дорожной карты, которая простирается до 2030-х годов. IBM публично заявила, что к 2025 году, с запуском этого квантового-центричного суперкомпьютера, они «устранят некоторые из самых серьезных препятствий на пути масштабирования квантового оборудования» ibm.com. Но развитие на этом не остановится. В 2025 году и далее внимание IBM всё больше будет смещаться на масштабирование с качеством — повышение достоверности кубитов, коррекцию ошибок и усложнение схем, которые можно запускать.
Фактически, в конце 2023 года IBM обновила свою Дорожную карту квантовых разработок вплоть до 2033. Одна из ключевых целей: примерно к 2026–2027 годам внедрить квантовые операции с коррекцией ошибок на своих системах, двигаясь к «продвинутым системам с коррекцией ошибок» позже в этом десятилетии newsroom.ibm.com. IBM уделяет приоритетное внимание улучшению достоверности вентилей (снижению уровня ошибок), чтобы стали возможны более крупные квантовые схемы (с тысячами операций) newsroom.ibm.com. Это говорит о том, что после достижения целевого количества кубитов IBM сосредоточится на повышении качества каждого кубита и постепенной интеграции коррекции ошибок. Конкретный пример — работа IBM над новыми кодами коррекции ошибок, такими как квантовые LDPC-коды, и более быстрыми алгоритмами декодирования, которые должны справляться с ошибками эффективнее, чем современные surface-коды thequantuminsider.com. Также обсуждается процессор IBM с кодовым названием «Loon» примерно к 2025 году, предназначенный для тестирования компонентов архитектуры с коррекцией ошибок (например, модулей для соединения кубитов под конкретный QEC-код) hpcwire.com. К 2029 году IBM стремится создать демонстрационный прототип квантового компьютера с отказоустойчивостью, чтобы достичь той же цели, что и конкуренты вроде Googlehpcwire.com.
На аппаратном фронте IBM, вероятно, продолжит свою линейку процессоров с птичьей тематикой и после Kookaburra. Дорожная карта после 2025 года полностью не раскрыта, но IBM намекнула на исследование ещё более крупных многочиповых систем и, возможно, гибридных технологий. Например, видение IBM квантового-центричного суперкомпьютера в конечном итоге включает квантовые коммуникационные каналы, которые могут соединять кластеры чипов на расстоянии, а не только в одном криостате newsroom.ibm.com. Мы можем увидеть, как IBM внедряет оптоволоконные соединения или другие методы для связи квантовых процессоров в разных криостатах – по сути, аналог квантовой локальной сети. Это приблизит нас к десяткам тысяч или даже миллионам кубитов в долгосрочной перспективе, что, как признаёт IBM, потребуется для решения самых сложных задач (и для полной коррекции ошибок) newsroom.ibm.com, insidehpc.com. По словам самой IBM, их модульный и сетевой подход должен позволить масштабирование до «сотен тысяч кубитов» со временем newsroom.ibm.com. Система на 4000 кубитов по сути является первой реализацией архитектуры квантового суперкомпьютера, которую можно расширять, добавляя новые модули.Более широкая дорожная карта IBM также включает развитие квантовой экосистемы. Компания инвестирует в образование, партнёрства и облачную доступность, чтобы к моменту готовности аппаратного обеспечения уже было сообщество, готовое им пользоваться. Например, IBM сотрудничает с национальными лабораториями, университетами и даже региональными правительствами (например, в Японии, Корее, Германии и Испании), чтобы размещать квантовые системы и стимулировать местное развитие. План по развертыванию первой в Европе IBM Quantum System Two в Испании к 2025 году tomorrowdesk.com является частью этой стратегии – дать большему числу людей возможность поработать с передовым квантовым оборудованием. Руководство IBM прогнозирует, что квантовые вычисления станут ключевым фактором конкурентного преимущества для бизнеса в ближайшие годы thequantuminsider.com, и они хотят быть в центре формирующейся квантовой экономики.
В заключение, проект квантового суперкомпьютера IBM с более чем 4000 кубитами представляет собой исторический скачок в масштабах квантовых вычислений. Если он окажется успешным, это ознаменует переход от изолированных, экспериментальных квантовых процессоров к сетевым квантовым системам, приближающимся к порогу практической полезности. Эта инициатива находится на стыке передовой физики, инженерии и информатики. Это в равной степени достижение программного обеспечения и аппаратного обеспечения, требующее новых способов управления и программирования совершенно нового типа суперкомпьютера. Мир внимательно следит — не только за рекордным количеством кубитов, но и за тем, сможет ли IBM продемонстрировать полезные результаты на этой машине, превосходящие возможности классических компьютеров.
К середине 2025 года IBM находится на пороге этого достижения: аппаратная часть в основном определена, работают первые прототипы, и компания спешит интегрировать всё в функциональный суперкомпьютер. Успех не гарантирован, но импульс и прогресс на данный момент неоспоримы. Даже конкуренты и скептики согласятся, что IBM значительно продвинула область вперёд. Пока мы ожидаем полноценного дебюта квантового суперкомпьютера IBM, ясно одно — мы вступаем в новую главу истории вычислений. Как сама IBM заявила, грядущий квантово-центричный суперкомпьютер готов стать «ключевой технологией для тех, кто решает самые сложные задачи, ведёт самые передовые исследования и разрабатывает самые современные технологии» insidehpc.com.
Ближайшие несколько лет покажут, оправдается ли это обещание, но если ставка IBM сыграет, 4000 кубитов действительно могут изменить вычисления навсегда — открыв дверь к решениям задач, которые мы когда-то считали невозможными, и ознаменовав рассвет эры квантовых вычислений.
Источники:
- 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 Пресс-релиз newsroom.ibm.com
- TechMonitor: IBM представляет квантовый суперкомпьютер, который может достичь 4000 кубитов к 2025 году techmonitor.ai
- IEEE Spectrum: Цель IBM: процессор на 4000 кубит к 2025 году (анализ дорожной карты и вызовов) spectrum.ieee.org
- InsideHPC: IBM на Think 2022 – видение квантово-центричного суперкомпьютинга insidehpc.com
- The Quantum Insider: Дорожные карты квантовых вычислений ведущих игроков (IBM, Google, IonQ и др.) thequantuminsider.com
- TomorrowDesk: Обзор цели IBM по квантовому суперкомпьютеру к 2025 году и модульного дизайна tomorrowdesk.com
- Post-Quantum (индустриальный блог): О количестве кубитов, необходимых для взлома шифрования RSA-2048 postquantum.com
- TechMonitor: Цитаты доктора Дарио Гила из IBM и статистика IBM Quantum Network techmonitor.ai
