- IBM plánuje kvantový superpočítač s viac ako 4 000 qubitmi do roku 2025, čo dosiahne prepojením troch 1 386-qubitových čipov Kookaburra do systému s 4 158 qubitmi.
- Modulárna platforma Quantum System Two, predstavená v roku 2023, je navrhnutá na hosťovanie viacerých čipov a obsahuje kryogénnu chladničku a pokročilú riadiacu elektroniku.
- Koncom roka 2023 IBM spustilo prvý Quantum System Two, ktorý paralelne prevádzkuje tri 133-qubitové procesory Heron.
- Do konca roka 2025 má IBM v úmysle umiestniť tri čipy Kookaburra do System Two, čím vytvorí jeden stroj so 4 158 qubitmi.
- IBM používa krátkodosahové prepojky medzi čipmi a kryogénne spoje na prepojenie čipov do jedného výpočtového celku.
- Spoločnosť nazýva tento prístup kvantovo-centristické superpočítanie, kde QPU, CPU a GPU sú prepojené do jednotnej výpočtovej štruktúry.
- Qiskit Runtime a circuit knitting umožňujú vývojárom spúšťať veľké kvantové úlohy naprieč viacerými čipmi s integrovanou mitigáciou chýb.
- Systém s viac ako 4 000 qubitmi bude v roku 2025 fungovať v NISQ režime, spoliehajúc sa na mitigáciu chýb namiesto plnej kvantovej korekcie chýb.
- Odborníci odhadujú, že prelomenie RSA-2048 by vyžadovalo asi 4 000 logických qubitov s korekciou chýb, pravdepodobne milióny fyzických qubitov.
- Konkurenti zahŕňajú Google, ktorý sa zameriava na kvantové počítanie s toleranciou chýb do roku 2029, IonQ sledujúci algoritmické qubity, Quantinuum zameraný na vysokú vernosť a toleranciu chýb a D-Wave ponúkajúci annealingový systém s viac ako 5 000 qubitmi.
IBM je na prahu kvantového prelomového objavu: „kvantový superpočítač“ s viac ako 4 000 qubitmi do roku 2025. Ambiciózny plán technologického giganta – súčasť širšej kvantovej stratégie – sľubuje revolúciu vo výpočtovej technike riešením problémov, ktoré dnešné najrýchlejšie superpočítače nedokážu zvládnuť. V tejto správe rozoberieme kvantovú cestu IBM, dizajn jeho systému s viac ako 4 000 qubitmi, pohľady odborníkov (aj hype), porovnanie s konkurenciou ako Google a IonQ a čo by mohol znamenať stroj s 4 000 qubitmi pre svet.
Pozadie: Kvantové úsilie IBM
IBM je priekopníkom v kvantovom počítaní, vedie v hardvéri aj softvéri. Už v roku 2020 IBM predstavilo kvantovú cestovnú mapu a odvtedy splnilo každý míľnik. V roku 2021 predviedli 127-qubitový Eagle procesor – čip taký zložitý, že jeho obvody „nie je možné spoľahlivo presne simulovať na klasickom počítači“ insidehpc.com. V roku 2022 IBM predstavilo 433-qubitový čip Osprey, čo bol veľký skok v počte qubitov oproti Eagle techmonitor.ai. Najnovšie, koncom roka 2023, IBM dosiahlo 1 121-qubitovú hranicu s procesorom Condor – prvým kvantovým procesorom, ktorý prekonal tisícqubitovú hranicutomorrowdesk.com. Každý z týchto pokrokov položil kľúčové základy pre škálovanie na tisíce qubitov.
Ale stratégia IBM nie je len o zvyšovaní počtu qubitov. Spoločnosť zdôrazňuje prístup plného stacku: robustný kvantový hardvér, inteligentný kvantový softvér a široký ekosystém používateľov a partnerov newsroom.ibm.com, insidehpc.com. V roku 2016 IBM sprístupnila prvý kvantový počítač na cloude pre verejné použitie a dnes je cez cloud na kvantové služby IBM napojených viac ako 200 organizácií a 450 000 používateľov techmonitor.ai. Softvérový rámec IBM (Qiskit) a prostredie Qiskit Runtime umožňujú vývojárom efektívne spúšťať kvantové programy s integrovanými nástrojmi na zmierňovanie chýb a orchestráciu hybridných kvantovo-klasických úloh newsroom.ibm.com, insidehpc.com. Táto úzka integrácia hardvéru a softvéru – spolu so sieťou akademických a priemyselných spolupracovníkov – je kľúčová pre širší cieľ IBM: priniesť užitočné kvantové výpočty do sveta, nielen laboratórne ukážky.
IBM rada nazýva túto víziu „kvantovo-centrické superpočítačovanie“. Myšlienkou je nakoniec prepojiť kvantové procesory (QPU) s klasickými CPU a GPU do bezšvovej výpočtovej štruktúry insidehpc.com. Tak ako nedávne superpočítače kombinujú CPU a AI akcelerátory na zvládanie AI úloh, IBM vidí budúce superpočítače ako kombináciu kvantových a klasických jednotiek na riešenie problémov, ktoré by samostatne nedokázali vyriešiť insidehpc.com. Slovami Dr. Jaya Gambettu, viceprezidenta IBM pre kvantové technológie: „Teraz IBM uvádza do éry kvantovo-centrického superpočítača, kde kvantové zdroje – QPU – budú prepojené s CPU a GPU do výpočtovej štruktúry“, zameranej na riešenie „najťažších problémov“ vedy a priemyslu insidehpc.com. Je to odvážna vízia, ktorá nejde len o vytvorenie rýchlejšieho počítača; ide o zmenu samotnej podstaty výpočtovej techniky.
Návrh kvantového superpočítača s viac ako 4 000 kubitmi
Ako postaviť kvantový počítač s viac ako 4 000 kubitmi? Odpoveď IBM: modularita. Namiesto jedného obrovského čipu IBM spája viacero menších kvantových čipov do jedného systému – podobne ako prepojenie uzlov v superpočítači. Nová generácia platformy spoločnosti, nazvaná IBM Quantum System Two, je na to špeciálne navrhnutá. Uvedený v roku 2023, System Two je prvý modulárny kvantový výpočtový systém od IBM, ktorý obsahuje špičkovú kryogénnu chladničku a riadiacu elektroniku schopnú podporovať viacero kvantových procesorov súčasne techmonitor.ai, newsroom.ibm.com. Je to fyzický „dom“, ktorý bude hostiť pripravovanú flotilu prepojených čipov IBM, všetky chladené na takmer absolútnu nulu. Kombinovaním čipov môže IBM rýchlo zvyšovať počet kubitov bez potreby vyrábať nemožne veľké jednotlivé čipy – prístup, ktorý je kľúčový pre prechod zo stoviek na tisíce kubitov.
Obrázok: Víziou IBM pre kvantový superpočítač je prepojiť viacero kvantových čipov do jedného systému. V roku 2025 plánuje IBM predstaviť „Kookaburra“, procesor s 1 386 kubitmi a kvantovými komunikačnými prepojeniami; tri čipy Kookaburra je možné spojiť do jedného systému so 4 158 kubitmi ibm.com. Táto modulárna architektúra umožňuje IBM škálovať na tisíce kubitov prepojovaním menších procesorov namiesto spoliehania sa na jeden obrovský čip.
Srdcom IBM plánu na 4 000 qubitov je jeho pripravovaná rodina procesorov s vtáčími kódovými názvami. V roku 2024 by mal IBM predstaviť „Flamingo“, čip s 462 qubitmi, navrhnutý na testovanie kvantovej komunikácie medzi čipmi ibm.com. IBM plánuje demonštrovať dizajn Flaminga prepojením troch procesorov Flamingo do jedného systému s 1 386 qubitmi – v podstate ukáže, že viacero čipov môže spolupracovať, akoby boli jeden ibm.com. Potom príde veľký krok: v roku 2025 IBM predstaví „Kookaburra“, procesor s 1 386 qubitmi určený na modulárne škálovanie ibm.com. Vďaka zabudovaným komunikačným prepojeniam môžu byť tri čipy Kookaburra prepojené do jedného stroja s 4 158 qubitmi ibm.com. Podľa IBM to bude prvý kvantovo-centristický superpočítač, ktorý prekoná hranicu 4 000 qubitov.Ako teda táto architektúra vyzerá? V podstate IBM používa krátkodobé prepojenia medzi čipmi a kryogénne spoje na prepojenie qubitov medzi rôznymi čipmi spectrum.ieee.org. Predstavte si každý čip ako „dlaždicu“ qubitov; prepojky umožňujú susedným dlaždiciam zdieľať kvantové informácie a špeciálne mikrovlnné káble môžu prepojiť čipy, ktoré sú trochu ďalej od seba spectrum.ieee.org. Výzvou je dosiahnuť, aby sa qubity na samostatných čipoch správali takmer, akoby boli na tom istom čipe – čo nie je jednoduché, keďže kvantové stavy sú krehké. IBM vyvíja novú technológiu prepojok, ktorá udrží prepletené qubity koherentné medzi čipmi tomorrowdesk.com. System Two poskytuje ultrastudené, bezvibračné prostredie a flexibilné zapojenie na podporu týchto viacčipových sietí techmonitor.ai. Toto všetko je riadené „inteligentnou“ riadiacou vrstvou (softvér a klasické výpočty), ktorá usmerňuje kvantové operácie naprieč rôznymi čipmi a zabezpečuje ich spoluprácu insidehpc.com.
Časový harmonogram IBM počíta s tým, že systém s viac ako 4 000 qubitmi bude funkčný niekedy v roku 2025 techmonitor.ai. V skutočnosti sú už prvé časti na svojom mieste. Koncom roka 2023 na podujatí IBM Quantum Summit spoločnosť IBM spustila prvý Quantum System Two, ktorý paralelne prevádzkuje tri menšie 133-qubitové procesory „Heron“ newsroom.ibm.com. Toto slúžilo ako prototyp: Heron je čip s relatívne malým počtom qubitov, ale s výrazne zlepšenou chybovosťou, a IBM použila System Two na ukázanie, že dokáže prevádzkovať viacero procesorov spoločne ako jeden systém newsroom.ibm.com. V priebehu nasledujúceho roka alebo dvoch to IBM rozšíri – vymení väčšie čipy (ako Flamingo a potom Kookaburra) a prepojí ich viac. Cieľom je, aby do konca roka 2025 Quantum System Two hostil tri čipy Kookaburra a tým pádom >4 000 prepojených qubitov v jednom stroji techmonitor.ai. Pri pohľade do budúcnosti IBM dokonca plánuje prepojiť viacero systémov System Two: napríklad prepojenie troch takýchto systémov by v budúcnosti mohlo priniesť klaster s viac ako 16 000 qubitmi techmonitor.ai. Inými slovami, 4 000 qubitov nie je konečný cieľ – je to medzistupeň k ešte väčším kvantovým strojom, ktoré budú postavené prepojením modulov, podobne ako sa klasické superpočítače rozširujú pomocou viacerých uzlov.
Vízia IBM: Postrehy od lídrov v oblasti kvantových technológií
Kvantový tím IBM je pochopiteľne nadšený – a optimistický – ohľadom toho, čo tento skok na 4 000 qubitov znamená. Riaditeľ výskumu IBM, Dr. Darío Gil, často hovoril o dosiahnutí novej éry praktického kvantového počítania. „Realizácia našej vízie nám poskytla jasný pohľad do budúcnosti kvantových technológií a na to, čo bude potrebné, aby sme sa dostali do éry praktického kvantového počítania,“ povedal Gil, keď IBM rozšírila svoju cestovnú mapu newsroom.ibm.com. S cieľom 4 000+ qubitov na dohľad to označil za začiatok „éry kvantovo-centristických superpočítačov, ktoré otvoria veľké a výkonné výpočtové priestory“ pre vývojárov, partnerov a klientov newsroom.ibm.com. Inými slovami, IBM to vníma ako úsvit kvantových počítačov, ktoré už nie sú len laboratórnymi experimentmi, ale výkonnými nástrojmi pre reálne využitie.
Jay Gambetta, IBM Fellow a viceprezident pre kvantové technológie, označil rok 2023 za významný bod zlomu – moment, keď sa koncept kvantovo-centristického superpočítača stal realitou v podobe prototypu techmonitor.ai. Podľa Gambettu nestačí mať len viac qubitov; „kvantovo-centristické superpočítače budú vyžadovať viac než len veľa qubitov“, vysvetlil – potrebujú tiež väčšiu hĺbku obvodov a úzku integráciu s klasickými systémami techmonitor.ai. To odráža dôraz IBM na kvalitu qubitov a bezproblémové prepojenie kvantového a klasického počítania. „Našou misiou je priniesť užitočné kvantové počítanie svetu,“ povedal Gambetta. „Budeme naďalej poskytovať najlepšiu kvantovú ponuku v celom odvetví — a je na odvetví, aby tieto systémy využilo“ techmonitor.ai. Odkaz je jasný: IBM dodá hardvér a softvér a očakáva, že firmy a výskumníci s tým začnú robiť významné veci.
Na Quantum Summite 2023 tím IBM vyjadril optimistický postoj ohľadom vyspelosti tejto technológie. „Sme pevne v ére, v ktorej sa kvantové počítače používajú ako nástroj na objavovanie nových hraníc vedy,“ poznamenal Dr. Darío Gil a poukázal na to, že kvantové stroje už nie sú len zaujímavosťou newsroom.ibm.com. Zdôraznil pokrok IBM v škálovaní týchto systémov prostredníctvom modulárneho dizajnu a prisľúbil, že „ďalej zvýšime kvalitu kvantovej technológie v meradle úžitkovosti – a dáme ju do rúk našim používateľom a partnerom, ktorí budú posúvať hranice zložitejších problémov“ newsroom.ibm.com. V podstate, ako IBM zvyšuje počet qubitov, zároveň pracuje na tom, aby zlepšila vernosť qubitov a „inteligenciu“ softvéru, aby týchto tisíce qubitov mohli skutočne vykonávať užitočnú prácu na zložitých problémoch.
IBM dokonca používa živú metaforu pre nadchádzajúcu zmenu. Spoločnosť prirovnáva prechod od dnešných začínajúcich kvantových počítačov ku kvantovému superpočítaču v roku 2025 k „nahradeniu papierových máp satelitmi GPS“ v navigácii ibm.com. Je to výstižný obraz: kvantové superpočítače by nás mohli viesť cez výpočtové problémy úplne novým spôsobom, podobne ako GPS zrevolucionalizoval spôsob, akým sa orientujeme. Či sa realita vyrovná optimizmu IBM, sa ešte len uvidí, no niet pochýb, že najväčšie mozgy IBM veria, že stoja na prahu niečoho veľkého.
Čo hovoria experti: Hype verzus realita
Oznámenie IBM o 4 000-qubitovom procesore vyvolalo veľký rozruch, no externí experti nás často upozorňujú, aby sme zostali pri zemi. Jeden z kľúčových bodov, ktoré zdôrazňujú: viac qubitov samo o sebe nezaručí užitočné výsledky. Dnešné kvantové bity sú „šumivé“ – sú náchylné na chyby – takže jednoducho prepojiť tisíce nedokonalých qubitov magicky nevyrieši problémy, ak tieto qubity nedokážu udržať koherenciu. IEEE Spectrum poznamenal, že plán IBM bude musieť byť sprevádzaný „inteligentnou softvérovou vrstvou“, ktorá bude riadiť chyby a orchestráciu hybridnej kvantovo-klasickej záťaže spectrum.ieee.org. V skutočnosti môže byť výkonný nový softvérový stack „kľúčom k tomu, aby sa dalo s 4 000-qubitovým procesorom urobiť čokoľvek užitočné“, a to zvládaním zmierňovania chýb a rozdeľovaním úloh medzi kvantový hardvér a klasické koprocesory spectrum.ieee.org. Stručne povedané, surový počet qubitov nie je všetko – rovnako dôležité je, ako tieto qubity používate a ovládate.
Niektorí pozorovatelia odvetvia tiež poukazujú na rozdiel medzi fyzickými kubitmi a logickými kubitmi. Logický kubit je kubit s opravou chýb, v podstate zhluk mnohých fyzických kubitov, ktoré spolupracujú, aby fungovali ako jeden veľmi spoľahlivý kubit. Odborníci odhadujú, že prelomenie moderného šifrovania (ako sú 2048-bitové RSA kľúče chrániace online bezpečnosť) by si vyžadovalo približne 4 000 logických kubitov s opravou chýb – čo by v praxi mohlo znamenať milióny fyzických kubitov vzhľadom na súčasné režijné náklady na opravu chýb postquantum.com. Ako to vyjadril jeden bezpečnostný analytik, „4 000 logických kubitov nie je to isté ako 4 000 skutočných kubitov“ – plne opravovaný kvantový počítač s tisíckami logických kubitov je stále vzdialeným snom postquantum.com. IBM-ov stroj s viac ako 4 000 kubitmi bude ďaleko od tejto ideálnej odolnosti voči chybám; bude pozostávať z fyzických kubitov, ktoré si vyžadujú šikovné techniky zmierňovania chýb, aby boli užitočné. Výskumníci rýchlo upozorňujú, že by sme nemali očakávať, že tento stroj napríklad prelomí internetové šifrovanie alebo cez noc vyrieši každý neriešiteľný problém.Napriek tomu, agresívna cestovná mapa IBM ho v pretekoch o počet kubitov stavia pred mnohých konkurentov a niektorí odborníci chvália modulárny prístup ako pragmatický spôsob škálovania. „Veríme, že klasické zdroje môžu skutočne rozšíriť možnosti kvantových počítačov a vyťažiť z nich maximum,“ poznamenal Blake Johnson, vedúci Quantum Platform v IBM, pričom zdôraznil potrebu koordinácie medzi kvantovým a klasickým počítaním na využitie týchto veľkých systémov spectrum.ieee.org. Tento názor je široko zdieľaný: budúcnosť je „kvantovo-plus-klasická“ spolupráca.
Súťažiace vízie: IBM vs. Google, IonQ a ďalší
IBM nie je v kvantových pretekoch osamotené, no jeho stratégia sa líši od ostatných veľkých hráčov. Google sa napríklad menej zameriava na počet kubitov v blízkej budúcnosti a viac na dosiahnutie plne chybovo korigovaného kvantového počítača. Cestovná mapa Googlu si kladie za cieľ realizovať užitočný, chybovo korigovaný kvantový stroj do roku 2029, pričom spoločnosť sa dôsledne venuje demonštrácii logických kubitov a znižovaniu chybovosti namiesto prekonávania rekordov v počte kubitov thequantuminsider.com. (Súčasné zariadenia Googlu, ako je 72-kubitový Bristlecone alebo novšie verzie jeho 53-kubitového Sycamore, majú oveľa menej kubitov ako IBM, no Google nedávno ukázal, že zvýšenie počtu fyzických kubitov v logickom kubite môže znížiť mieru chybovosti, čo je sľubný krok k škálovateľnosti thequantuminsider.com.) Vo verejných vyhláseniach vedenie Googlu predpokladá časový horizont 5–10 rokov, kedy kvantové počítanie začne mať skutočný dopad thequantuminsider.com. Takže zatiaľ čo IBM mieri k prototypu so 4 000 kubitmi, Google hrá na dlhú trať, aby dosiahol plne odolný kvantový počítač voči chybám, aj keď bude mať v blízkej budúcnosti len desiatky kubitov.
Quantinuum (spoločnosť vytvorená firmami Honeywell a Cambridge Quantum) je ďalším ťažkým hráčom, no sleduje inú technologickú cestu: kubyty na báze uväznených iónov. Quantinuum sa nesnaží okamžite dosiahnuť tisíce fyzických kubitov – ich najnovší systém s iónovou pascou má rádovo 50–100 vysoko kvalitných kubitov – no preukázali rekordný kvantový objem (meradlo celkovej schopnosti) a dokonca v roku 2024 vytvorili 12 „logických“ kubitov pomocou korekcie chýb thequantuminsider.com. Cestovná mapa Quantinuum smeruje k plne odolnému kvantovému počítaniu voči chybám do roku 2030, pričom spoločnosť kladie dôraz na dosiahnutie „troch deviatok“ spoľahlivosti (99,9% spoľahlivosť) a prielomy v oblasti logických kubitov ako míľniky thequantuminsider.com. Ich generálny riaditeľ, Rajeeb Hazra, tvrdí, že kvalita a pokrok v korekcii chýb odomknú „triliónový trh“ pre kvantové technológie a tvrdí, že Quantinuum má „najdôveryhodnejšiu cestovnú mapu v odvetví smerom k… odolnému kvantovému počítaniu voči chybám“ thequantuminsider.com. Zhrnuté, Quantinuum sa zameriava na zdokonaľovanie kubitov a korekciu chýb, aj keď to zatiaľ znamená menej kubitov – na rozdiel od veľkej stávky IBM na škálovanie a riešenie šumu prostredníctvom zmierňovania.
Ďalší kľúčový konkurent, IonQ, taktiež využíva technológiu zachytených iónov a rovnako zdôrazňuje kvalitu qubitov. Vedenie IonQ často vyzdvihuje „algoritmické qubity“ – internú metriku, ktorá zohľadňuje chybovosť a konektivitu – namiesto samotného počtu fyzických qubitov thequantuminsider.com. Cestovná mapa IonQ smeruje k „širokej kvantovej výhode do roku 2025“, avšak prostredníctvom postupného zlepšovania výkonu svojich qubitov a budovania modulárnych, rackových systémov s iónovými pascami, nie dosiahnutím konkrétneho vysokého počtu qubitov thequantuminsider.com. V skutočnosti IonQ predpokladá, že na prekonanie oveľa väčších hlučných kvantových počítačov v určitých úlohách bude potrebovať len niekoľko desiatok vysokokvalitných qubitov. Bývalý generálny riaditeľ Peter Chapman predpovedal, že technológia IonQ „bude kľúčová pre komerčnú kvantovú výhodu,“ pričom konkrétne zdôrazňoval algoritmické qubity pred fyzickým počtom ako kľúč k užitočným aplikáciám thequantuminsider.com. Táto filozofia podčiarkuje debatu v odbore: je kvantové počítanie „hra o čísla“ (viac qubitov rýchlejšie) alebo „hra o kvalitu“ (lepšie qubity, aj keď pomalšie škálovateľné)? IBM tlačí na čísla (s dôrazom aj na kvalitu), zatiaľ čo IonQ je pevne v tábore kvality.
Potom je tu Rigetti Computing, menší hráč so supravodivými qubitmi. Cestovná mapa Rigetti čelila oneskoreniam – dúfali, že do roku 2024 dosiahnu 1 000 qubitov prostredníctvom viacčipových modulov, ale v praxi ich systémy stále pracujú s desiatkami qubitov. K polovici roka 2025 Rigetti cieli na skromnejší systém so 100+ qubitmi do konca 2025 thequantuminsider.com, pričom sa zameriava na zlepšovanie fidelity a výkonu dvojqubitových hradiel. Spoločnosť zápasí s udržaním tempa s rýchlym škálovaním IBM, čo ilustruje, aké náročné je pre nováčikov vyrovnať sa zdrojom a odbornosti IBM v tejto oblasti. Napriek tomu Rigetti a ďalší prispievajú k inováciám (napríklad Rigetti bol priekopníkom niektorých raných techník viacčipovej integrácie) a poukazujú na to, že náskok IBM nie je neprekonateľný, ak sa objavia zásadné prelomové objavy (ako lepšie návrhy qubitov alebo materiály).
Za zmienku v tomto kontexte stojí aj D-Wave Systems. D-Wave, kanadská spoločnosť, má kvantové stroje na žíhanie (iný model kvantového počítania) s viac ako 5 000 kubitmi dnes thequantuminsider.com. Kubity D-Wave sú však navrhnuté na riešenie optimalizačných problémov pomocou žíhania, nie na všeobecné kvantové algoritmy. Vysoký počet kubitov dosahujú vďaka špecializovanej architektúre, ale tieto kubity nedokážu spúšťať ľubovoľné kvantové obvody ako zariadenia IBM alebo Google. Generálny riaditeľ D-Wave, Alan Baratz, poznamenal, že ich technológia už prináša hodnotu v určitých aplikáciách (napríklad optimalizácia rozvrhov v maloobchode alebo smerovanie v telekomunikáciách) thequantuminsider.com. Existencia 5 000-kubitového systému D-Wave je pripomienkou, že nie všetky kubity sú rovnaké – kubity D-Wave sú užitočné pre špecifické úlohy, ale nie sú priamo porovnateľné s kubitmi kvantových počítačov založených na hradlách. Cieľ IBM s viac ako 4 000 kubitmi sa týka univerzálnych, na hradlách založených kubitov, čo je oveľa náročnejšia úloha z hľadiska zložitosti a schopností.
Zhrnuté, IBM vyniká agresívnym škálovaním hardvéru s supravodivými kubitmi a snahou integrovať ho s klasickým počítaním v krátkom časovom horizonte. Google sa zameriava na míľniky v korekcii chýb, Quantinuum a IonQ sa sústreďujú na vernosť kubitov (s menším počtom kubitov v blízkej budúcnosti) a spoločnosti ako Rigetti zaostávajú s menšími zariadeniami. Každý prístup má svoje výhody. Ak bude IBM úspešné, nastaví vysokú latku v počte kubitov a možno dosiahne kvantovú výhodu v užitočných úlohách skôr. Ak však budú kubity príliš hlučné, tých 4 000 kubitov môže neprekonať 100 vynikajúcich kubitov konkurencie. Nasledujúce roky budú fascinujúcim pretekom medzi rôznymi filozofiami v kvantovom počítaní – a nie je samozrejmé, že viac kubitov vždy vyhráva, pokiaľ nie sú spojené s kvalitou a šikovným softvérom.
Prečo 4 000 kubitov? Potenciálne aplikácie a výzvy
Čo by mohol 4 000-kubitový kvantový počítač v skutočnosti dokázať, ak by fungoval podľa očakávaní? Pre porovnanie, dnešné kvantové počítače (s desiatkami alebo nízkymi stovkami kubitov) ešte jasne neprekonali klasické počítače v žiadnom praktickom probléme. IBM a ďalší veria, že posunom do tisícov kubitov vstúpime do zóny, kde sa užitočná kvantová výhoda stane možnou pre určité triedy problémov tomorrowdesk.com. Tu je niekoľko aplikácií a dopadov, ktoré by mohol systém s 4 000 kubitmi odomknúť:
- Chémia a veda o materiáloch: Kvantové počítače sú obzvlášť vhodné na simuláciu molekulárnych a atómových systémov. Aj tie najväčšie klasické superpočítače majú problém presne modelovať správanie zložitých molekúl a chemických reakcií. Výskumníci IBM poukazujú na to, že „len málo odborov získa hodnotu z kvantového počítania tak rýchlo ako chémia,“ pretože kvantové stroje dokážu prirodzene spracovávať kvantovú povahu chemických interakcií ibm.com. Systém so 4 000 kubitmi by mohol potenciálne simulovať stredne veľké molekuly alebo nové materiály s vysokou presnosťou – čo by pomohlo pri objavovaní liekov, vývoji nových materiálov (pre batérie, hnojivá, supravodiče atď.) a pochopení zložitých chemických procesov. Toto sú problémy, pri ktorých klasické metódy narážajú na stenu kvôli exponenciálnej zložitosti. Do roku 2025 IBM predpokladá, že kvantové počítače začnú skúmať užitočné aplikácie v prírodných vedách, ako je chémia ibm.com.
- Optimalizácia a financie: Mnohé reálne problémy – od logistiky dodávateľského reťazca po optimalizáciu portfólia – zahŕňajú hľadanie najlepšieho riešenia medzi astronomickým množstvom možností. Kvantové počítače s algoritmami ako QAOA alebo technikami kvantového žíhania ponúkajú nové spôsoby riešenia určitých optimalizačných problémov. Stroj s tisíckami kubitov by mohol zvládnuť väčšie inštancie problémov alebo poskytnúť presnejšie riešenia ako súčasné zariadenia. Generálny riaditeľ IBM Arvind Krishna naznačil, že kvantové počítanie umožní nové algoritmy pre optimalizáciu, ktoré môžu firmy využiť, a potenciálne sa tak stanú kľúčovým rozlišovacím prvkom pre odvetvia ako financie, energetika a výroba thequantuminsider.com. Systém so 4 000 kubitmi by mohol napríklad riešiť zložité problémy analýzy rizík alebo optimalizácie trás, ktoré klasické algoritmy nedokážu vyriešiť v rozumnom čase.
- Strojové učenie a AI: Rastie výskum v oblasti kvantového strojového učenia, kde by kvantové počítače mohli urýchliť určité typy úloh strojového učenia alebo ponúknuť nové modelovacie schopnosti. S tisíckami kubitov by kvantové počítače mohli začať implementovať modely kvantových neurónových sietí alebo vykonávať rýchlejšie lineárne algebraické podrutiny, ktoré sú základom ML algoritmov. IBM sa konkrétne pozerá na strojové učenie ako na testovací prípad pre kvantové aplikácie – očakáva, že do roku 2025 budú kvantové počítače využívané na skúmanie prípadov použitia strojového učenia popri klasickom ML, čo môže zlepšiť spôsob, akým rozpoznávame vzory v dátach alebo optimalizujeme ML modely ibm.com. Praktickým príkladom by mohlo byť kvantovo vylepšené výberové zisťovanie vlastností alebo zhlukovanie v zložitých dátových súboroch, ktoré by mohli byť urýchlené kvantovými podrutínami.
- Vedecký výskum a „Veľké výzvy“: Okrem cielene zameraných odvetví by kvantový superpočítač s 4 000 kubitmi bol prínosom pre základnú vedu. Mohol by sa použiť na simuláciu scenárov vysokoenergetickej fyziky, optimalizáciu návrhov kvantových materiálov alebo dokonca na skúmanie otázok v kryptografii a matematike. IBM spomínal prírodné vedy vo všeobecnosti – napríklad problémy v fyzike alebo biológii, ktoré sú v súčasnosti neriešiteľné, by mohli ustúpiť hybridnému kvantovému prístupu ibm.com. Predstavte si navrhovanie katalyzátorov na zachytávanie uhlíka alebo analýzu kvantových systémov v jadrovej fyzike – ide o mimoriadne zložité výpočty, pri ktorých by kvantový počítač mohol poskytnúť nové poznatky. Výskumníci IBM sami poukázali na aplikácie v chémii, optimalizácii a strojovom učení ako na skoré ciele pre kvantovú výhodu ibm.com.
To je ten lákavý prísľub – ale čo výzvy? Kvantový počítač s 4 000 kubitmi bude čeliť vážnym prekážkam:
- Šum a chybovosť: Dnešné kubity sú náchylné na chyby; dekoherujú (strácajú svoj kvantový stav) v priebehu mikrosekúnd a operácie („hady“) medzi kubitmi sú nedokonalé. Pri iba 50–100 kubitoch môžu kvantové algoritmy vykonať len veľmi krátku sekvenciu operácií, kým chyby neprevalcujú výsledok. Ak máte tisíce kubitov, problém šumu sa znásobuje. V skutočnosti môže prepojenie troch čipov (ako plánuje IBM) zaviesť ešte viac chýb kvôli mierne pomalším, menej spoľahlivým operáciám medzi čipmi ibm.com. IBM si to uvedomuje a navrhuje softvér pre System Two tak, aby bol „vedomý“ architektúry – napríklad aby plánoval kritické operácie na rovnakom čipe a starostlivo riadil pomalšie operácie medzi čipmi ibm.com. Bez korekcie chýb (ktorá nebude plne zavedená do roku 2025) sa IBM bude spoliehať na zmierňovanie chýb: šikovné triky na zníženie vplyvu chýb. To zahŕňa techniky ako pravdepodobnostné rušenie chýb, kde zámerne pridávate ďalší šum, aby ste sa o šume dozvedeli viac, a potom klasicky spracujete výsledky na odstránenie chýb spectrum.ieee.org. Tieto metódy sú výpočtovo náročné a nie sú dokonalé, ale výskum IBM naznačuje, že niektoré z nich sa dajú škálovať aj na zariadenia tejto veľkosti spectrum.ieee.org. Napriek tomu je zvládanie šumu tou kľúčovou otázkou – je to dôvod, prečo kvantové počítače zatiaľ nevyriešili reálne problémy, a stroj s 4 000 kubitmi uspeje len vtedy, ak IBM dokáže udržať chyby pod kontrolou natoľko, aby zvládol hlboké výpočty.
- Oprava chýb a logické qubity: Dlhodobým riešením šumu je kvantová oprava chýb (QEC), ktorá zoskupí mnoho fyzických qubitov do jedného logického qubitu, ktorý dokáže prežiť chyby. IBM-ov 4 000-qubitový systém bude pravdepodobne stále fungovať v režime „NISQ“ (Noisy Intermediate-Scale Quantum), čo znamená, že ešte nebude prebiehať veľkorozmerná oprava chýb – jednoducho nebude dostatok qubitov na úplnú opravu chýb všetkých 4 000. (Pre predstavu, premena aj niekoľkých tisíc fyzických qubitov na niekoľko logických qubitov by mohla spotrebovať celý stroj.) IBM však pripravuje pôdu pre opravu chýb. Spoločnosť aktívne skúma nové QEC kódy (napríklad kvantový LDPC kód, ktorý je efektívnejší na qubity ako tradičné povrchové kódy) a rýchle dekodéry chýb thequantuminsider.com. V skutočnosti IBM nedávno rozšírila svoj plán až do roku 2033, pričom po roku 2025 výslovne uprednostňuje zlepšenie kvality hradiel a vývoj modulov s opravou chýb newsroom.ibm.com. 4 000-qubitový superpočítač možno vnímať ako most: má byť dostatočne veľký na to, aby umožnil vykonávať niektoré užitočné veci s zmierňovaním chýb, pričom IBM sa naučí, ako implementovať čiastočnú opravu chýb vo veľkom meradle. IBM dokonca oznámila plán na prototyp kvantového počítača odolného voči chybám do roku 2029 hpcwire.com, čo naznačuje, že oprava chýb je na ich programe hneď, ako dosiahnu míľnik 4 000 qubitov. Dosiahnutie plne opravených (logických) qubitov si však bude vyžadovať rádovo viac qubitov alebo oveľa lepšiu vernosť qubitov – pravdepodobne kombináciu oboch.
- Softvér a vývojárske nástroje: Aj keď máte kvantový stroj so 4 000 kubitmi, potrebujete softvér, ktorý ho dokáže efektívne využiť. Kvantové algoritmy musia byť namapované na tento komplexný viacčipový hardvér. IBM to rieši pomocou nástrojov ako Qiskit Runtime a Quantum Serverless architektúra. Tie umožňujú používateľovi rozdeliť problém na menšie kvantové obvody, spustiť ich paralelne na rôznych kvantových čipoch a výsledky spojiť pomocou klasického spracovania ibm.com. Napríklad, „circuit knitting“ je jedna z techník, ktorú IBM vyzdvihuje – rozdelenie veľkého obvodu na časti, ktoré sa zmestia na menšie procesory, a následné klasické znovuzloženie výsledkov ibm.com. Do roku 2025 plánuje IBM mať na svojej cloudovej platforme funkcie ako dynamické obvody (kde výsledky meraní môžu v reálnom čase ovplyvniť ďalšie operácie) a zabudované potláčanie chýb ibm.com. Výzvou bude urobiť toto všetko priateľské pre vývojárov. IBM chce, aby bol kvantový výpočet prístupný tak, aby ho mohli využiť dátoví vedci a odborníci na doménu (nielen kvantoví PhD) a mohli tak využiť tých 4 000 kubitov ibm.com. Dosiahnutie dobrej abstrakcie – kde používateľ môže napríklad zavolať vysokoúrovňovú funkciu na simuláciu molekuly a systém sám zistí, ako na to nasadiť 4 000 kubitov – bude kľúčové pre praktickú využiteľnosť. Prístup IBM je tu koncept kvantového middleware a „app store“ kvantových primitív: predpripravené funkcie na bežné úlohy ako vzorkovanie pravdepodobnostných rozdelení alebo odhadovanie vlastností systémov ibm.com. Ak to bude úspešné, chemik v roku 2025 možno nebude musieť poznať detaily hardvéru; jednoducho použije softvér IBM na využitie sily 4 000 kubitov pre svoju simuláciu.
- Fyzická infraštruktúra: Škálovanie na tisíce qubitov nie je len výpočtovou výzvou, ale inžinierskym maratónom. Kvantové procesory musia byť chladené na milikelvinové teploty – chladnejšie než vesmír. IBM muselo navrhnúť nový riediaci chladič (IBM Quantum System Two), ktorý je väčší a modulárnejší než jeho predchádzajúce verzie, aby pojal viacero čipov a všetku ich riadiacu kabeláž techmonitor.ai. Chladič, elektronika a káble sa stávajú čoraz zložitejšími, ako pridávate qubity. Tisíce qubitov znamenajú tisíce mikrovlnných riadiacich liniek, sofistikované filtrovanie na zabránenie úniku tepla a šumu ku qubitom a obrovské dátové toky z čítania qubitov. Inžinieri IBM prirovnali zložitosť škálovania kvantových systémov k raným superpočítačom alebo vesmírnym misiám. Do roku 2025 IBM očakáva, že „odstráni hlavné prekážky v ceste škálovania“ prostredníctvom modulárneho hardvéru a sprievodnej riadiacej elektroniky ibm.com – no stojí za zmienku, že IBM práve teraz na tieto hranice naráža. System Two v New Yorku je v podstate prototypom na zvládnutie takejto zložitosti newsroom.ibm.com. IBM tiež inštaluje System Two v Európe (v partnerstve s baskickou vládou v Španielsku) do roku 2025 tomorrowdesk.com, čo otestuje, ako možno túto špičkovú infraštruktúru replikovať mimo vlastného laboratória IBM. Úspech týchto nasadení bude dôležitým dôkazom, že potrubia a kabeláž kvantového superpočítača môžu byť spoľahlivé a udržiavateľné.
Vzhľadom na tieto výzvy odborníci zmierňujú hype tým, že poznamenávajú, že 4 000-qubitový stroj IBM bude pravdepodobne vysoko špecializovaný nástroj. Môže prekonať klasické superpočítače v špecifických úlohách (kvantové chemické simulácie, určité optimalizácie alebo úlohy strojového učenia, ako bolo spomenuté), dosiahnuť kvantovú výhodu alebo dokonca náznaky kvantovej nadvlády v užitočných kontextoch. Avšak, okamžite neurobí klasické počítače zastaranými. V skutočnosti pri mnohých úlohách budú klasické superpočítače a GPU stále rýchlejšie alebo praktickejšie. Samotná cestovná mapa IBM uznáva túto synergiu: kvantový superpočítač má pracovať s klasickým HPC, pričom každý robí to, čo vie najlepšie tomorrowdesk.com. Takže 4 000-qubitový systém by sme mali vnímať ako jeden z prvých skutočných „kvantových akcelerátorov“ – niečo, čo by ste použili popri klasickom výpočtovom systéme na riešenie tých naozaj náročných problémov, ktoré samotné klasické stroje nedokážu rozlúsknuť. Je to významný krok k konečnému snu o bezchybnom kvantovom počítaní, ale nie je to konečná destinácia.
Cesta vpred: Kvantová cestovná mapa IBM po roku 2025
IBM-ov superpočítač s viac ako 4 000 qubitmi je významným míľnikom, no je súčasťou dlhodobejšieho plánu, ktorý sa tiahne až do 30. rokov tohto storočia. IBM verejne uviedlo, že do roku 2025, keď bude tento kvantovo-centristický superpočítač v prevádzke, „odstránia niektoré z najväčších prekážok v škálovaní kvantového hardvéru“ ibm.com. Vývoj sa však tým neskončí. V roku 2025 a neskôr sa bude IBM čoraz viac zameriavať na škálovanie s kvalitou – zlepšovanie fidelity qubitov, korekciu chýb a zložitosť obvodov, ktoré je možné spúšťať.
V skutočnosti na konci roka 2023 IBM aktualizovalo svoj Quantum Development Roadmap až do roku 2033. Jeden z kľúčových cieľov: približne v rokoch 2026–2027 zaviesť kvantové operácie s korekciou chýb na svojich systémoch, pričom smerujú k „pokročilým systémom s korekciou chýb“ neskôr v tomto desaťročí newsroom.ibm.com. IBM uprednostňuje zlepšenia fidelity hradiel (znižovanie chybovosti) tak, aby boli uskutočniteľné väčšie kvantové obvody (s tisíckami operácií) newsroom.ibm.com. To naznačuje, že po dosiahnutí míľnika v počte qubitov sa IBM zameria na zlepšovanie kvality každého qubitu a postupné zavádzanie korekcie chýb. Konkrétnym príkladom je práca IBM na nových kódoch na korekciu chýb, ako sú kvantové LDPC kódy a rýchlejšie dekódovacie algoritmy, ktoré majú za cieľ efektívnejšie zvládať chyby než dnešné surface codes thequantuminsider.com. Hovorí sa tiež o procesore IBM s kódovým označením „Loon“ okolo roku 2025, ktorý má testovať komponenty architektúry s korekciou chýb (napríklad moduly na prepojenie qubitov pre konkrétny QEC kód) hpcwire.com. Do roku 2029 chce IBM postaviť demonštrátor kvantového prototypu odolného voči chybám, čím sa zladí s konkurentmi ako Google v tomto konečnom cielihpcwire.com.
Na hardvérovej úrovni bude IBM pravdepodobne pokračovať vo svojej sérii procesorov s vtáčou tematikou aj po Kookaburre. Plán po roku 2025 nie je úplne verejný, ale IBM naznačila, že skúma ešte väčšie viacčipové systémy a možno aj hybridné technológie. Napríklad vízia IBM o kvantovo-centristickom superpočítači nakoniec zahŕňa kvantové komunikačné prepojenia, ktoré môžu spájať klastry čipov na diaľku, nielen v tej istej chladničke newsroom.ibm.com. Môžeme vidieť, že IBM začne využívať optické vláknové prepojenia alebo iné metódy na prepojenie kvantových procesorov v rôznych kryostatoch – podobne ako kvantová lokálna sieť. To by v dlhodobom horizonte umožnilo dosiahnuť desiatky tisíc alebo dokonca milióny kubitov, čo podľa IBM bude potrebné na riešenie najťažších problémov (a na úplnú korekciu chýb) newsroom.ibm.com, insidehpc.com. Podľa vlastných slov IBM by ich modulárny a sieťový prístup mal umožniť škálovanie na „stovky tisíc kubitov“ v priebehu času newsroom.ibm.com. Systém so 4 000 kubitmi je v podstate prvou inštanciou architektúry kvantového superpočítača, ktorá sa môže rozširovať spájaním ďalších modulov.
Širší plán IBM zahŕňa aj rozvoj kvantového ekosystému. Spoločnosť investuje do vzdelávania, partnerstiev a cloudovej dostupnosti, aby v čase, keď bude hardvér pripravený, existovala komunita pripravená ho využívať. Napríklad IBM spolupracuje s národnými laboratóriami, univerzitami a dokonca aj s regionálnymi vládami (ako v Japonsku, Kórei, Nemecku a Španielsku) na hosťovaní kvantových systémov a podpore miestneho rozvoja. Plán nasadiť prvý IBM Quantum System Two v Európe v Španielsku do roku 2025 tomorrowdesk.com je súčasťou tejto stratégie – umožniť viacerým ľuďom priamy kontakt s pokročilým kvantovým hardvérom. Vedenie IBM predpovedá, že kvantové počítanie sa v nasledujúcich rokoch stane kľúčovým obchodným rozlišovacím prvkom thequantuminsider.com, a chcú byť v centre tohto vznikajúceho kvantového hospodárstva.
Na záver, projekt kvantového superpočítača IBM s viac ako 4 000 qubitmi predstavuje historický skok v škálovaní kvantového počítania. Ak bude úspešný, bude to znamenať prechod od izolovaných, experimentálnych kvantových procesorov k prepojeným kvantovým systémom, ktoré sa približujú prahu praktickej využiteľnosti. Tento projekt sa nachádza na priesečníku najmodernejšej fyziky, inžinierstva a informatiky. Je to rovnako softvérový úspech ako hardvérový, vyžadujúci nové spôsoby riadenia a programovania úplne nového typu superpočítača. Svet pozorne sleduje – nielen kvôli rekordnému počtu qubitov, ale aj preto, či IBM dokáže preukázať užitočné výsledky s týmto strojom, ktoré prekonajú možnosti klasických počítačov.
V polovici roka 2025 sa IBM nachádza na prahu tohto úspechu: hardvérový dizajn je do veľkej miery hotový, prvé prototypy bežia a spoločnosť sa snaží všetko integrovať do funkčného superpočítača. Úspech nie je zaručený, ale doterajší impulz a pokrok sú nepopierateľné. Aj konkurenti a skeptici by súhlasili, že IBM výrazne posunulo odbor vpred. Kým čakáme na plnú premiéru kvantového superpočítača IBM, jedno je jasné – vstupujeme do novej kapitoly počítačovej éry. Ako samotné IBM vyhlásilo, pripravovaný kvantovo-centristický superpočítač sa má stať „kľúčovou technológiou pre tých, ktorí riešia najťažšie problémy, robia najprelomovejší výskum a vyvíjajú najmodernejšie technológie“ insidehpc.com.
Najbližšie roky ukážu, či sa tento sľub naplní, ale ak stávka IBM vyjde, 4 000 qubitov by mohlo skutočne navždy zmeniť počítanie – otvoriť dvere riešeniam problémov, ktoré sme kedysi považovali za nemožné, a ohlásiť úsvit éry kvantového počítania.
Zdroje:
- 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 predstavuje kvantový superpočítač, ktorý by mohol dosiahnuť 4 000 qubitov do roku 2025 techmonitor.ai
- IEEE Spectrum: Cieľ IBM: procesor s 4 000 qubitmi do roku 2025 (analýza plánu a výziev) spectrum.ieee.org
- InsideHPC: IBM na Think 2022 – vízia kvantovo-centristického superpočítača insidehpc.com
- The Quantum Insider: Cestovné mapy kvantového počítania hlavných hráčov (IBM, Google, IonQ, atď.) thequantuminsider.com
- TomorrowDesk: Prehľad cieľa IBM pre kvantový superpočítač v roku 2025 a modulárneho dizajnu tomorrowdesk.com
- Post-Quantum (odvetvový blog): O počte qubitov potrebných na prelomenie šifrovania RSA-2048 postquantum.com
- TechMonitor: Citácie od Dr. Daría Gila z IBM a štatistiky IBM Quantum Network techmonitor.ai
