- IBM планує створити квантовий суперкомп’ютер із понад 4 000 кубітів до 2025 року, досягнувши цього шляхом з’єднання трьох чипів Kookaburra по 1 386 кубітів у систему з 4 158 кубітами.
- Модульна платформа Quantum System Two, представлена у 2023 році, розроблена для розміщення кількох чипів і оснащена кріогенним холодильником та сучасною системою керування електронікою.
- Наприкінці 2023 року IBM запустила першу Quantum System Two, яка працює з трьома процесорами Heron по 133 кубіти паралельно.
- До кінця 2025 року IBM планує розмістити три чипи Kookaburra на System Two, створивши єдину машину з 4 158 кубітами.
- IBM використовує короткодіючі з’єднувачі між чипами та кріогенні лінії для об’єднання чипів в єдину обчислювальну структуру.
- Компанія називає цей підхід квантово-центричними суперкомп’ютерами, поєднуючи QPU з CPU та GPU в єдину обчислювальну структуру.
- Qiskit Runtime і circuit knitting дозволяють розробникам запускати великі квантові навантаження на кількох чипах із вбудованим зменшенням помилок.
- Система з понад 4 000 кубітів працюватиме в режимі NISQ у 2025 році, покладаючись на зменшення помилок, а не на повну квантову корекцію помилок.
- Експерти оцінюють, що для зламу RSA-2048 потрібно близько 4 000 логічних кубітів із корекцією помилок, що, ймовірно, означає мільйони фізичних кубітів.
- Серед конкурентів — Google, яка прагне досягти квантових обчислень із виправленням помилок до 2029 року, IonQ, що розвиває алгоритмічні кубіти, Quantinuum, яка фокусується на високій точності та виправленні помилок, і D-Wave, що пропонує систему відпалу з понад 5 000 кубітів.
IBM на порозі прориву в квантових обчисленнях: «квантовий суперкомп’ютер» із понад 4 000 кубітів до 2025 року. Амбітний план техногіганта — частина ширшої квантової стратегії — обіцяє революціонізувати обчислення, вирішуючи завдання, з якими не справляються найшвидші сучасні суперкомп’ютери. У цьому огляді ми розглянемо квантовий шлях IBM, конструкцію її системи з понад 4 000 кубітів, думки експертів (і хайп), порівняння з конкурентами на кшталт Google та IonQ, а також те, що може означати поява машини на 4 000 кубітів для світу.
Передумови: Квантовий шлях IBM
IBM була піонером у квантових обчисленнях, очолюючи розвиток як апаратного, так і програмного забезпечення. Ще у 2020 році IBM представила квантову дорожню карту і з того часу досягла всіх етапів. У 2021 році вони продемонстрували процесор Eagle на 127 кубітів — чип настільки складний, що його схеми «неможливо точно змоделювати на класичному комп’ютері» insidehpc.com. У 2022 році IBM представила чип Osprey на 433 кубіти, що стало значним кроком уперед у порівнянні з Eagle за кількістю кубітів techmonitor.ai. Найсвіжіше, наприкінці 2023 року, IBM досягла позначки 1 121 кубіт із процесором Condor — першим квантовим процесором, що подолав бар’єр у тисячу кубітівtomorrowdesk.com. Кожен із цих кроків заклав важливу основу для масштабування до тисяч кубітів.
Але стратегія IBM полягає не лише в нарощуванні кількості кубітів. Компанія робить акцент на повноцінному стеку: надійне квантове апаратне забезпечення, інтелектуальне квантове програмне забезпечення і широка екосистема користувачів та партнерів newsroom.ibm.com, insidehpc.com. У 2016 році IBM першою розмістила квантовий комп’ютер у хмарі для загального користування, і сьогодні понад 200 організацій і 450 000 користувачів підключені до квантових сервісів IBM через хмару techmonitor.ai. Програмна платформа IBM (Qiskit) та середовище Qiskit Runtime дозволяють розробникам ефективно запускати квантові програми, з вбудованими інструментами для зменшення помилок і організації гібридних квантово-класичних навантажень newsroom.ibm.com, insidehpc.com. Така тісна інтеграція апаратного і програмного забезпечення – разом із мережею академічних та індустріальних партнерів – є ключовою для ширшої мети IBM: зробити квантові обчислення корисними для світу, а не лише для лабораторних демонстрацій.
IBM називає це бачення «квантово-центричні суперкомп’ютери». Ідея полягає в тому, щоб у майбутньому інтегрувати квантові процесори (QPU) разом із класичними CPU та GPU в єдину обчислювальну тканину insidehpc.com. Так само, як сучасні суперкомп’ютери поєднують CPU та AI-акселератори для обробки AI-навантажень, IBM бачить майбутні суперкомп’ютери, які поєднують квантові та класичні рушії для вирішення задач, які жоден із них не зміг би вирішити самостійно insidehpc.com. Як сказав доктор Джей Гамбета, віцепрезидент IBM з квантових технологій, «Зараз IBM відкриває епоху квантово-центричних суперкомп’ютерів, де квантові ресурси – QPU – будуть інтегровані з CPU та GPU в єдину обчислювальну тканину», спрямовану на вирішення «найскладніших проблем» у науці та промисловості insidehpc.com. Це сміливе бачення, яке виходить за межі просто створення швидшого комп’ютера; йдеться про зміну самої суті обчислень.
Проектування квантового суперкомп’ютера з понад 4 000 кубітів
Як побудувати квантовий комп’ютер з понад 4 000 кубітів? Відповідь IBM: модульність. Замість одного великого чипа IBM з’єднує кілька менших квантових чипів в одну систему – подібно до об’єднання вузлів у суперкомп’ютері. Платформа наступного покоління компанії, яка називається IBM Quantum System Two, спеціально розроблена для цього. Представлена у 2023 році, System Two – це перша модульна система квантових обчислень від IBM, що має сучасний кріогенний холодильник і електроніку керування, здатну підтримувати кілька квантових процесорів одночасно techmonitor.ai, newsroom.ibm.com. Це фізичний “будинок”, у якому розміщуватиметься майбутній парк з’єднаних чипів IBM, охолоджених майже до абсолютного нуля. Об’єднуючи чипи, IBM може швидко збільшувати кількість кубітів без необхідності виготовляти надзвичайно великі окремі чипи – підхід, що є ключовим для переходу від сотень до тисяч кубітів.
Ілюстрація: бачення IBM щодо квантового суперкомп’ютера полягає в об’єднанні кількох квантових чипів в одну систему. У 2025 році IBM планує представити “Kookaburra” – процесор на 1 386 кубітів із квантовими комунікаційними зв’язками; три чипи Kookaburra можна з’єднати в єдину систему на 4 158 кубітів ibm.com. Така модульна архітектура дозволяє IBM масштабуватися до тисяч кубітів шляхом мережевого об’єднання менших процесорів, а не покладаючись на один величезний чип.
Серцем плану IBM щодо 4 000 кубітів є майбутня лінійка процесорів із пташиними кодовими назвами. У 2024 році IBM планує випустити «Flamingo», чип на 462 кубіти, розроблений для тестування квантової комунікації між чипами ibm.com. IBM планує продемонструвати дизайн Flamingo, об’єднавши три процесори Flamingo в одну систему на 1 386 кубітів – фактично показавши, що кілька чипів можуть працювати разом, як один ibm.com. Далі на черзі головна новинка: у 2025 році IBM представить «Kookaburra», процесор на 1 386 кубітів, створений для модульного масштабування ibm.com. Завдяки вбудованим комунікаційним зв’язкам, три чипи Kookaburra можуть з’єднуватися, утворюючи одну машину з 4 158 кубітами ibm.com. За словами IBM, це буде перший квантово-центричний суперкомп’ютер, який подолає рубіж у 4 000 кубітів.Як виглядає ця архітектура? По суті, IBM використовує короткодіапазонні з’єднувачі між чипами та кріогенні лінії, щоб об’єднувати кубіти на різних чипах spectrum.ieee.org. Уявіть кожен чип як «плитку» з кубітами; з’єднувачі дозволяють сусіднім плиткам обмінюватися квантовою інформацією, а спеціальні мікрохвильові кабелі можуть з’єднувати чипи, розташовані трохи далі один від одного spectrum.ieee.org. Завдання полягає в тому, щоб кубіти на різних чипах поводилися майже так, ніби вони знаходяться на одному чипі – це непросто, оскільки квантові стани дуже крихкі. IBM розробляє нову технологію з’єднувачів, щоб зберігати когерентність заплутаних кубітів між чипами tomorrowdesk.com. System Two забезпечує надхолодне, вільне від вібрацій середовище і гнучку систему підключення для підтримки таких багаточипових мереж techmonitor.ai. Усе це координується «інтелектуальним» шаром керування (програмне забезпечення та класичні обчислення), який спрямовує квантові операції між різними чипами, змушуючи їх працювати злагоджено insidehpc.com.
План IBM передбачає, що система з понад 4 000 кубітів буде введена в експлуатацію десь у 2025 році techmonitor.ai. Насправді, перші елементи вже встановлені. Наприкінці 2023 року на саміті IBM Quantum Summit компанія IBM запустила першу Quantum System Two, яка працює з трьома меншими 133-кубітними процесорами “Heron” паралельно newsroom.ibm.com. Це слугувало прототипом: Heron — це відносно малокубітний чип, але з суттєво покращеними показниками помилок, і IBM використала System Two, щоб показати, що вона може керувати кількома процесорами разом як єдиною системою newsroom.ibm.com. Протягом наступного року чи двох IBM масштабуватиме це рішення — замінюючи чипи на більші (наприклад, Flamingo, а потім Kookaburra) і з’єднуючи їх більше. Мета полягає в тому, щоб до кінця 2025 року IBM Quantum System Two містила три чипи Kookaburra і таким чином >4 000 з’єднаних кубітів в одній машині techmonitor.ai. Дивлячись у майбутнє, IBM навіть уявляє з’єднання кількох System Two: наприклад, з’єднання трьох таких систем може дати кластер з понад 16 000 кубітів у майбутньому techmonitor.ai. Іншими словами, 4 000 кубітів — це не кінцева мета, а проміжний етап до ще більших квантових машин, які будуть створені шляхом мережевого з’єднання модулів, подібно до того, як класичні суперкомп’ютери масштабуються за допомогою кількох вузлів.
Бачення IBM: Інсайти від лідерів квантових технологій
Квантова команда IBM цілком зрозуміло схвильована — і налаштована оптимістично — щодо того, що означає цей стрибок до 4 000 кубітів. Директор з досліджень IBM, доктор Даріо Гіл, неодноразово говорив про досягнення нової епохи практичних квантових обчислень. «Виконання нашого бачення дало нам чітке уявлення про майбутнє квантових технологій і про те, що потрібно для досягнення епохи практичних квантових обчислень», — сказав Гіл, коли IBM розширила свою дорожню карту newsroom.ibm.com. З наближенням мети у 4 000+ кубітів він охарактеризував це як початок «ери квантово-центричних суперкомп’ютерів, які відкриють великі й потужні обчислювальні простори» для розробників, партнерів і клієнтів newsroom.ibm.com. Іншими словами, IBM розглядає це як світанок квантових комп’ютерів, які вже не є лише лабораторними експериментами, а потужними інструментами для реального використання.
Джей Гамбета, IBM Fellow і віцепрезидент з квантових технологій, назвав 2023 рік важливим переломним моментом — моментом, коли концепція квантово-центричного суперкомп’ютера стала реальністю у вигляді прототипу techmonitor.ai. За словами Гамбети, просто мати більше кубітів недостатньо; «квантово-центричні суперкомп’ютери вимагатимуть не лише великої кількості кубітів», пояснив він — також потрібна більша глибина схем і тісна інтеграція з класичними системами techmonitor.ai. Це відображає акцент IBM на якість кубітів і безшовне поєднання квантових і класичних обчислень. «Наша місія — принести корисні квантові обчислення у світ», — сказав Гамбета. «Ми й надалі надаватимемо найкращу повноцінну квантову пропозицію в галузі — а вже індустрія має використати ці … системи» techmonitor.ai. Посил: IBM забезпечить апаратне й програмне забезпечення, а вони очікують, що бізнес і дослідники почнуть робити з цим справді значущі речі.
На Quantum Summit 2023 команда IBM висловила оптимістичний настрій щодо зрілості цієї технології. «Ми впевнено перебуваємо в епосі, коли квантові комп’ютери використовуються як інструмент для дослідження нових рубежів науки», зазначив доктор Даріо Гіл, підкресливши, що квантові машини більше не є лише цікавими новинками newsroom.ibm.com. Він наголосив на прогресі IBM у масштабуванні цих систем завдяки модульному дизайну та пообіцяв «ще більше підвищити якість квантової технологічної платформи утилітарного масштабу – і передати її в руки наших користувачів і партнерів, які розширюватимуть межі вирішення складніших задач» newsroom.ibm.com. По суті, коли IBM збільшує кількість кубітів, вони також працюють над тим, щоб покращити точність кубітів і “розумність” програмного забезпечення, щоб ці тисячі кубітів дійсно могли виконувати корисну роботу над складними задачами.
IBM навіть використовує яскраву метафору для майбутніх змін. Компанія порівнює перехід від нинішніх зародкових квантових комп’ютерів до квантового суперкомп’ютера 2025 року з «замінити паперові карти супутниками GPS» у навігації ibm.com. Це яскравий образ: квантові суперкомп’ютери можуть проводити нас крізь обчислювальні задачі принципово новим способом, так само як GPS революціонізував наші способи орієнтації. Чи виправдає реальність оптимізм IBM – ще належить побачити, але немає сумнівів, що провідні уми IBM вірять: вони на порозі чогось великого.
Що кажуть експерти: хайп і перевірка реальністю
Оголошення IBM про 4000-кубітний процесор викликало чимало галасу, але незалежні експерти часто нагадують нам зберігати тверезі очікування. Вони наголошують на важливому моменті: більше кубітів саме по собі не гарантує корисних результатів. Сучасні квантові біти «шумні» – вони схильні до помилок, тож просте з’єднання тисяч недосконалих кубітів не вирішує проблеми, якщо ці кубіти не можуть зберігати когерентність. IEEE Spectrum зазначив, що план IBM має супроводжуватися «інтелектуальним програмним рівнем», який керуватиме помилками та організовуватиме гібридне квантово-класичне навантаження spectrum.ieee.org. Насправді, потужний новий програмний стек може стати «ключем до будь-якої корисної роботи» з 4000-кубітним процесором, оскільки він забезпечить пом’якшення помилок і розподіл завдань між квантовим обладнанням і класичними співпроцесорами spectrum.ieee.org. Коротко кажучи, кількість кубітів – це ще не все – те, як ви використовуєте і контролюєте ці кубіти, не менш важливо.
Деякі галузеві оглядачі також підкреслюють розрив між фізичними кубітами та логічними кубітами. Логічний кубіт — це кубіт з виправленням помилок, фактично кластер із багатьох фізичних кубітів, які працюють разом, щоб діяти як один дуже надійний кубіт. Експерти оцінюють, що для зламу сучасного шифрування (наприклад, 2048-бітних RSA-ключів, які захищають онлайн-безпеку) знадобиться близько 4 000 логічних кубітів з виправленням помилок — що на практиці може означати мільйони фізичних кубітів з урахуванням поточних накладних витрат на виправлення помилок postquantum.com. Як зазначив один аналітик з безпеки, «4 000 логічних кубітів — це не те саме, що 4 000 реальних кубітів» — повністю виправлений від помилок квантовий комп’ютер із тисячами логічних кубітів усе ще залишається далекою мрією postquantum.com. 4-тисячний комп’ютер IBM буде далеким від цього ідеалу з відмовостійкістю; він складатиметься з фізичних кубітів, для яких потрібні розумні методи пом’якшення помилок, щоб бути корисними. Дослідники швидко застерігають, що не варто очікувати, що ця машина, наприклад, зламає інтернет-шифрування чи вирішить усі нерозв’язні проблеми за одну ніч.
Водночас, агресивна дорожня карта IBM дійсно ставить її попереду багатьох конкурентів у гонці за кількістю кубітів, і деякі експерти хвалять модульний підхід як прагматичний спосіб масштабування. «Ми вважаємо, що класичні ресурси можуть справді підсилити те, що ви можете зробити з квантовими обчисленнями, і отримати максимум від цього квантового ресурсу», — зазначив Блейк Джонсон, керівник Quantum Platform IBM, підкреслюючи необхідність оркестрації між квантовими та класичними обчисленнями для використання цих великих систем spectrum.ieee.org. Цю думку широко поділяють: майбутнє — це «квантово-плюс-класичний» тандем.
Конкуруючі бачення: IBM проти Google, IonQ та інших
IBM не єдина в квантових перегонах, але її стратегія відрізняється від інших великих гравців. Google, наприклад, менше зосереджена на кількості кубітів у найближчій перспективі, а більше — на досягненні повністю коригованого від помилок квантового комп’ютера. Дорожня карта Google має на меті створити корисну, захищену від помилок квантову машину до 2029, і компанія послідовно працює над демонстрацією логічних кубітів і зниженням кількості помилок, а не намагається побити рекорди за кількістю кубітів thequantuminsider.com. (Поточні пристрої Google, такі як 72-кубітний Bristlecone або новіші версії 53-кубітного Sycamore, мають значно менше кубітів, ніж у IBM, але нещодавно Google показала, що збільшення кількості фізичних кубітів у логічному кубіті може знизити рівень помилок, що є обнадійливим кроком до масштабованості thequantuminsider.com.) У публічних заявах керівництво Google прогнозує 5–10-річний термін, коли квантові обчислення почнуть справді впливати на світ thequantuminsider.com. Тож поки IBM рухається до прототипу на 4000 кубітів, Google грає в довгу гру, щоб досягти повністю відмовостійкого квантового комп’ютера, навіть якщо в найближчій перспективі у неї буде лише кілька десятків кубітів.
Quantinuum (компанія, створена Honeywell і Cambridge Quantum) — ще один важковаговик, але вона йде іншим технологічним шляхом: іонно-пасткові кубіти. Quantinuum не женеться одразу за тисячами фізичних кубітів — їхня найновіша система з іонною пасткою має близько 50–100 високоякісних кубітів — але вони продемонстрували рекордний квантовий об’єм (показник загальних можливостей) і навіть створили 12 “логічних” кубітів за допомогою корекції помилок у 2024 році thequantuminsider.com. Дорожня карта Quantinuum передбачає повністю відмовостійкі квантові обчислення до 2030 року, і компанія робить акцент на досягненні “трьох дев’яток” надійності (99,9% достовірності) та проривах у логічних кубітах як проміжних етапах thequantuminsider.com. Їхній генеральний директор, Раджіб Хазра, стверджує, що якість і прогрес у корекції помилок відкриють для квантових технологій “ринок на трильйон доларів”, і заявляє, що Quantinuum має “найбільш переконливу дорожню карту в галузі до… відмовостійких квантових обчислень” thequantuminsider.com. Підсумовуючи, Quantinuum зосереджена на вдосконаленні кубітів і корекції помилок, навіть якщо це означає меншу кількість кубітів наразі — це контрастує з великим ставленням IBM на масштабування та боротьбу з шумом шляхом пом’якшення.
Ще один ключовий конкурент, IonQ, також використовує технологію іонних пасток і так само наголошує на якості кубітів. Керівництво IonQ часто підкреслює “алгоритмічні кубіти” – внутрішній показник, що враховує рівень помилок і зв’язність, – а не просто кількість фізичних кубітів thequantuminsider.com. Дорожня карта IonQ передбачає “широку квантову перевагу до 2025 року”, але шляхом поступового покращення характеристик своїх кубітів і створення модульних, стійкових систем іонних пасток, а не досягненням певної великої кількості кубітів thequantuminsider.com. Насправді, за прогнозами IonQ, потрібно лише кілька десятків високоякісних кубітів, щоб перевершити набагато більші шумні квантові комп’ютери у певних завданнях. Колишній генеральний директор Пітер Чепмен передбачав, що технологія IonQ “буде ключовою для комерційної квантової переваги,” зокрема наголошуючи на алгоритмічних кубітах, а не на фізичній кількості як ключі до корисних застосувань thequantuminsider.com. Ця філософія підкреслює дискусію у галузі: чи є квантові обчислення “грою чисел” (більше кубітів швидше) чи “грою якості” (кращі кубіти, навіть якщо масштабування повільніше)? IBM робить ставку на кількість (з урахуванням якості), тоді як IonQ твердо дотримується підходу “спочатку якість”.
Є ще й Rigetti Computing, менший гравець на ринку надпровідних кубітів. Дорожня карта Rigetti зазнала затримок – вони сподівалися досягти 1 000 кубітів за допомогою багаточипових модулів до 2024 року, але на практиці їхні системи досі мають лише десятки кубітів. Станом на середину 2025 року Rigetti прагне до більш скромної мети – системи на 100+ кубітів до кінця 2025 року thequantuminsider.com, зосереджуючись на підвищенні точності та продуктивності двокубітних вентилів. Компанія не встигає за швидким масштабуванням IBM, що ілюструє, наскільки складно новачкам зрівнятися з ресурсами та експертизою IBM у цій сфері. Втім, Rigetti та інші сприяють інноваціям (наприклад, Rigetti була піонером у деяких ранніх методах багаточипової інтеграції) і підкреслюють, що перевага IBM не є непереможною, якщо з’являться фундаментальні прориви (наприклад, кращі конструкції кубітів чи матеріали).
Варто також згадати D-Wave Systems у цьому контексті. D-Wave, канадська компанія, має квантові машини для відпалу (інша модель квантових обчислень) з понад 5 000 кубітів сьогодні thequantuminsider.com. Однак кубіти D-Wave призначені для розв’язання задач оптимізації методом відпалу, а не для загальних квантових алгоритмів. Вони досягають великої кількості кубітів завдяки спеціалізованій архітектурі, але ці кубіти не можуть виконувати довільні квантові схеми, як пристрої IBM чи Google. Генеральний директор D-Wave, Алан Барац, зазначав, що їхня технологія вже приносить користь у певних застосуваннях (наприклад, оптимізація розкладів у роздрібній торгівлі чи маршрутизація в телекомунікаціях) thequantuminsider.com. Існування системи D-Wave на 5 000 кубітів нагадує, що не всі кубіти однакові – кубіти D-Wave корисні для конкретних завдань, але їх не можна напряму порівнювати з кубітами квантових комп’ютерів на логічних елементах. Мета IBM у понад 4 000 кубітів стосується універсальних кубітів на логічних елементах, що є значно складнішим і потужнішим завданням.Підсумовуючи, IBM вирізняється агресивним масштабуванням апаратного забезпечення на основі надпровідних кубітів і прагненням інтегрувати його з класичними обчисленнями у короткі терміни. Google зосереджується на досягненні рубежів у виправленні помилок, Quantinuum та IonQ – на точності кубітів (з меншою кількістю кубітів у найближчій перспективі), а такі компанії, як Rigetti, відстають із меншими пристроями. Кожен підхід має свої переваги. Якщо IBM досягне успіху, це встановить високу планку за кількістю кубітів і, можливо, дозволить швидше досягти квантової переваги у корисних завданнях. Але якщо кубіти будуть надто шумними, ці 4 000 кубітів можуть не перевершити 100 відмінних кубітів конкурента. Наступні кілька років стануть захопливою гонкою між різними філософіями у квантових обчисленнях – і не факт, що більша кількість кубітів завжди перемагає, якщо її не поєднати з якістю та розумним програмним забезпеченням.
Чому 4 000 кубітів? Потенційні застосування та виклики
Що ж може квантовий комп’ютер на 4 000 кубітів насправді зробити, якщо він працюватиме як задумано? Для порівняння: сучасні квантові комп’ютери (з десятками або кількома сотнями кубітів) ще не перевершили класичні комп’ютери у жодній практичній задачі. IBM та інші вважають, що, досягнувши тисяч кубітів, ми увійдемо у зону, де корисна квантова перевага стане можливою для певних класів задач tomorrowdesk.com. Ось деякі застосування та впливи, які може відкрити система на 4 000 кубітів:
- Хімія та наука про матеріали: Квантові комп’ютери особливо добре підходять для моделювання молекулярних і атомних систем. Навіть найбільші класичні суперкомп’ютери насилу моделюють поведінку складних молекул і хімічних реакцій з точністю. Дослідники IBM зазначають, що «мало яка галузь отримає цінність від квантових обчислень так швидко, як хімія», оскільки квантові машини можуть природно працювати з квантовою природою хімічних взаємодій ibm.com. Система на 4 000 кубітів потенційно могла б моделювати молекули середнього розміру або нові матеріали з високою точністю – допомагаючи у відкритті ліків, розробці нових матеріалів (для батарей, добрив, надпровідників тощо) та розумінні складних хімічних процесів. Це ті задачі, де класичні методи стикаються зі стіною через експоненційну складність. До 2025 року IBM очікує, що квантові комп’ютери почнуть досліджувати корисні застосування в природничих науках, таких як хімія ibm.com.
- Оптимізація та фінанси: Багато реальних задач – від логістики ланцюгів постачання до оптимізації портфеля – пов’язані з пошуком найкращого рішення серед астрономічної кількості можливостей. Квантові комп’ютери з алгоритмами на кшталт QAOA або квантовими відпускними техніками пропонують нові способи вирішення певних задач оптимізації. Машина з тисячами кубітів могла б вирішувати більші задачі або надавати точніші рішення, ніж сучасні пристрої. Генеральний директор IBM Арвінд Крішна припустив, що квантові обчислення дозволять створити нові алгоритми для оптимізації, які бізнеси зможуть використовувати, потенційно ставши ключовою перевагою для галузей, таких як фінанси, енергетика та виробництво thequantuminsider.com. Наприклад, система на 4 000 кубітів могла б вирішувати складні задачі аналізу ризиків або оптимізації маршрутів, які класичні алгоритми не можуть вирішити за розумний час.
- Машинне навчання та ШІ: Зростає кількість досліджень у сфері квантового машинного навчання, де квантові комп’ютери можуть прискорити певні типи задач машинного навчання або запропонувати нові можливості моделювання. Маючи тисячі кубітів, квантові комп’ютери могли б почати впроваджувати моделі квантових нейронних мереж або виконувати швидші підпрограми лінійної алгебри, які лежать в основі алгоритмів ML. IBM зокрема розглядає машинне навчання як тестовий кейс для квантових застосувань – очікуючи, що до 2025 року квантові комп’ютери будуть використовуватися для дослідження кейсів машинного навчання разом із класичним ML, можливо, покращуючи розпізнавання шаблонів у даних або оптимізацію моделей ML ibm.com. Практичним прикладом може бути квантово-посилений вибір ознак або кластеризація на складних наборах даних, що може бути прискорено квантовими підпрограмами.
- Наукові дослідження та «Великі виклики»: Окрім цільових галузей, квантовий суперкомп’ютер на 4000 кубітів став би справжнім проривом для фундаментальної науки. Його можна було б використовувати для моделювання сценаріїв фізики високих енергій, оптимізації дизайну квантових матеріалів або навіть для дослідження питань у криптографії та математиці. IBM згадувала природничі науки загалом – наприклад, задачі в фізиці чи біології, які наразі є нерозв’язними, можуть піддатися гібридному квантовому підходу ibm.com. Уявіть собі розробку каталізаторів для уловлювання вуглецю або аналіз квантових систем у ядерній фізиці – це надзвичайно складні обчислення, де квантовий комп’ютер може дати нові ідеї. Дослідники IBM вказували на застосування в хімії, оптимізації та машинному навчанні як на перші цілі для досягнення квантової переваги ibm.com.
Це приваблива обіцянка – але а як щодо викликів? Квантовий комп’ютер на 4000 кубітів зіткнеться з серйозними труднощами:
- Шум і рівень помилок: Сучасні кубіти схильні до помилок; вони декогерують (втрачають свій квантовий стан) за мікросекунди, а операції («гейти») між кубітами є недосконалими. Маючи лише 50-100 кубітів, квантові алгоритми можуть виконати лише дуже коротку послідовність операцій, перш ніж помилки зіпсують результат. Якщо у вас тисячі кубітів, проблема шуму зростає. Насправді, з’єднання трьох чипів (як планує IBM) може додати ще більше помилок через трохи повільніші, менш точні операції між чипами ibm.com. IBM це визнає і розробляє програмне забезпечення System Two так, щоб воно було «обізнаним» щодо архітектури – наприклад, щоб планувати критичні операції на одному чипі та обережно керувати повільнішими міжчиповими операціями ibm.com. Без корекції помилок (яка не буде повністю реалізована до 2025 року) IBM покладатиметься на пом’якшення помилок: хитрі прийоми для зменшення впливу помилок. Це включає такі методи, як ймовірнісна компенсація помилок, коли ви навмисно додаєте додатковий шум, щоб дізнатися про нього, а потім класично обробляєте результати для компенсації помилок spectrum.ieee.org. Ці методи є обчислювально затратними й не ідеальні, але дослідження IBM показують, що деякі з них можуть масштабуватися до пристроїв такого розміру spectrum.ieee.org. Проте, керування шумом – це основна проблема: саме через це квантові комп’ютери ще не вирішують реальні задачі, і машина на 4000 кубітів буде успішною лише тоді, якщо IBM зможе достатньо контролювати помилки для виконання складних обчислень.
- Виправлення помилок і логічні кубіти: Довгостроковим рішенням проблеми шуму є квантове виправлення помилок (QEC), яке об’єднує багато фізичних кубітів в один логічний кубіт, здатний пережити помилки. Система IBM на 4 000 кубітів, ймовірно, все ще працюватиме в режимі «NISQ» (шумний квантовий комп’ютер середнього масштабу), тобто без масштабного виправлення помилок – просто не буде достатньо кубітів, щоб повністю виправити помилки у всіх 4 000. (Для порівняння: перетворення навіть кількох тисяч фізичних кубітів у кілька логічних може зайняти всю машину.) Однак IBM вже закладає основу для виправлення помилок. Компанія активно досліджує нові QEC-коди (наприклад, квантовий LDPC-код, який є більш ефективним за кількістю кубітів, ніж традиційні поверхневі коди) і швидкі декодери помилок thequantuminsider.com. Насправді IBM нещодавно продовжила свою дорожню карту до 2033, чітко визначивши пріоритети щодо покращення якості вентилів і розробки модулів із виправленням помилок після 2025 року newsroom.ibm.com. Суперкомп’ютер на 4 000 кубітів можна розглядати як міст: він має бути достатньо великим, щоб виконувати деякі корисні завдання з пом’якшенням помилок, і водночас навчити IBM впроваджувати часткове виправлення помилок у масштабі. IBM навіть оголосила про план створення прототипу квантового комп’ютера з відмовостійкістю до 2029 року hpcwire.com, що свідчить про те, що виправлення помилок є одним із головних пріоритетів компанії після досягнення позначки у 4 000 кубітів. Однак для досягнення повністю виправлених (логічних) кубітів знадобиться на порядки більше кубітів або значно краща якість кубітів – ймовірно, поєднання обох факторів.
- Програмне забезпечення та інструменти для розробників: Навіть якщо у вас є квантова машина на 4 000 кубітів, вам потрібне програмне забезпечення, яке зможе ефективно її використовувати. Квантові алгоритми потрібно відображати на цьому складному багаточиповому обладнанні. IBM вирішує це за допомогою таких інструментів, як Qiskit Runtime та Quantum Serverless architecture. Вони дозволяють користувачу розбивати задачу на менші квантові схеми, запускати їх паралельно на різних квантових чипах і поєднувати результати за допомогою класичної обробки ibm.com. Наприклад, “circuit knitting” — це одна з таких технік, яку виділяє IBM: розділення великої схеми на частини, які підходять для менших процесорів, а потім класичне об’єднання результатів ibm.com. До 2025 року IBM планує впровадити такі функції, як динамічні схеми (де результати вимірювань можуть впливати на подальші операції в реальному часі) та вбудоване придушення помилок на своїй хмарній платформі ibm.com. Викликом буде зробити все це зручним для розробників. IBM прагне зробити квантові обчислення доступними, щоб фахівці з даних та галузеві експерти (а не лише квантові PhD) могли використовувати ці 4 000 кубітів ibm.com. Досягнення якісної абстракції — коли користувач може, наприклад, викликати функцію високого рівня для моделювання молекули, а система сама визначить, як задіяти для цього 4 000 кубітів — буде вирішальним для практичної користі. Підхід IBM тут — це концепція квантового проміжного програмного забезпечення та “магазину додатків” квантових примітивів: готових функцій для типових завдань, таких як вибірка розподілів ймовірностей або оцінка властивостей систем ibm.com. Якщо це вдасться, хімік у 2025 році може й не знати деталей апаратного забезпечення; він просто скористається програмним забезпеченням IBM, щоб отримати доступ до потужності 4 000 кубітів для своєї симуляції.
- Фізична інфраструктура: Масштабування до тисяч кубітів — це не лише обчислювальний виклик, а й інженерський марафон. Квантові процесори мають охолоджуватися до мілікельвінових температур — холодніше, ніж у відкритому космосі. IBM довелося розробити новий розбавляючий холодильник (IBM Quantum System Two), який більший і більш модульний, ніж попередні, щоб розмістити кілька чипів і всю їхню керуючу проводку techmonitor.ai. Холодильник, електроніка та кабелі стають дедалі складнішими з додаванням кубітів. Тисячі кубітів означають тисячі мікрохвильових керуючих ліній, складну фільтрацію для запобігання проникненню тепла та шуму до кубітів, а також величезні потоки даних від зчитування кубітів. Інженери IBM порівнювали складність масштабування квантових систем із ранніми суперкомп’ютерами або космічними місіями. До 2025 року IBM очікує «усунути основні бар’єри на шляху масштабування» завдяки модульному обладнанню та супутній керуючій електроніці ibm.com, але варто зазначити, що саме зараз IBM стикається з цими бар’єрами. System Two у Нью-Йорку по суті є прототипом для керування такою складністю newsroom.ibm.com. IBM також встановлює System Two в Європі (у партнерстві з урядом Країни Басків в Іспанії) до 2025 року tomorrowdesk.com, що дозволить перевірити, як цю передову інфраструктуру можна відтворити поза власною лабораторією IBM. Успіх цих впроваджень стане важливим доказом того, що трубопроводи та проводка квантового суперкомп’ютера можуть бути надійними та придатними для обслуговування.
З огляду на ці виклики, експерти стримують ажіотаж, зазначаючи, що 4 000-кубітна машина IBM, ймовірно, буде високоспеціалізованим інструментом. Вона може перевершити класичні суперкомп’ютери у певних завданнях (квантові хімічні симуляції, деякі оптимізації чи завдання машинного навчання, як зазначено вище), досягаючи квантової переваги або навіть проблисків квантової переваги у корисних контекстах. Однак це не зробить класичні комп’ютери застарілими миттєво. Насправді для багатьох завдань класичні суперкомп’ютери та GPU все ще будуть швидшими або практичнішими. Дорожня карта IBM це визнає: квантовий суперкомп’ютер має працювати разом із класичними HPC, кожен із яких робить те, що вміє найкраще tomorrowdesk.com. Тож слід розглядати 4 000-кубітну систему як один із перших справжніх «квантових прискорювачів» — щось, що ви використовуєте разом із класичними обчисленнями для вирішення дійсно складних завдань, які класичні машини самостійно не можуть подолати. Це значний крок до остаточної мрії про безпомилкові квантові обчислення, але це ще не кінцева мета.
Шлях уперед: квантова дорожня карта IBM після 2025 року
Суперкомп’ютер IBM із понад 4 000 кубітів — це важлива віха, але це частина довшої дорожньої карти, яка простягається до 2030-х років. IBM публічно заявила, що до 2025 року, з цим квантовим суперкомп’ютером, вони «усунуть деякі з найбільших перешкод на шляху масштабування квантового обладнання» ibm.com. Але розвиток на цьому не зупиниться. У 2025 році та далі фокус IBM дедалі більше зміщуватиметься на масштабування з якістю – підвищення точності кубітів, корекцію помилок і складність схем, які можна запускати.
Насправді, наприкінці 2023 року IBM оновила свою Дорожню карту розвитку квантових технологій аж до 2033. Одна з ключових цілей: приблизно у 2026–2027 роках впровадити квантові операції з корекцією помилок на своїх системах, рухаючись до «просунутих систем із корекцією помилок» пізніше цього десятиліття newsroom.ibm.com. IBM надає пріоритет покращенню точності вентилів (зменшенню рівня помилок), щоб більші квантові схеми (із тисячами операцій) стали можливими newsroom.ibm.com. Це свідчить про те, що після досягнення цільового показника кількості кубітів IBM зосередиться на покращенні якості кожного кубіта та поступовій інтеграції корекції помилок. Конкретний приклад — робота IBM над новими кодами корекції помилок, такими як Quantum LDPC-коди, і швидшими алгоритмами декодування, які мають на меті ефективніше обробляти помилки, ніж сучасні surface-коди thequantuminsider.com. Також обговорюється процесор IBM із кодовою назвою «Loon» орієнтовно на 2025 рік, призначений для тестування компонентів архітектури з корекцією помилок (наприклад, модулів для з’єднання кубітів для певного QEC-коду) hpcwire.com. До 2029 року IBM прагне створити демонстраційний прототип квантового комп’ютера з відмовостійкістю, щоб зрівнятися з конкурентами, такими як Google, у досягненні цієї кінцевої метиhpcwire.com.
На апаратному фронті IBM, ймовірно, продовжить свою лінійку процесорів із назвами птахів і після Kookaburra. Дорожня карта після 2025 року ще не повністю оприлюднена, але IBM натякнула на дослідження ще більших багаточипових систем і, можливо, гібридних технологій. Наприклад, бачення IBM щодо квантового суперкомп’ютера передбачає використання квантових комунікаційних ліній, які можуть з’єднувати кластери чипів на відстані, а не лише в одному холодильнику newsroom.ibm.com. Можливо, ми побачимо, як IBM впроваджує оптоволоконні інтерконекти або інші методи для з’єднання квантових процесорів у різних кріостатах – подібно до квантової локальної мережі. Це дозволить рухатися до десятків тисяч або навіть мільйонів кубітів у довгостроковій перспективі, що, як визнає IBM, буде необхідно для розв’язання найскладніших задач (і повної корекції помилок) newsroom.ibm.com, insidehpc.com. За словами самої IBM, їхній модульний і мережевий підхід має дозволити масштабування до “сотень тисяч кубітів” з часом newsroom.ibm.com. Система на 4 000 кубітів фактично є першою реалізацією архітектури квантового суперкомп’ютера, яка може розширюватися шляхом додавання нових модулів.Більш широка дорожня карта IBM також передбачає розвиток квантової екосистеми. Компанія інвестує в освіту, партнерства та хмарний доступ, щоб до моменту готовності апаратного забезпечення вже існувала спільнота, готова ним користуватися. Наприклад, IBM співпрацює з національними лабораторіями, університетами та навіть регіональними урядами (наприклад, у Японії, Кореї, Німеччині та Іспанії), щоб розміщувати квантові системи та стимулювати місцевий розвиток. План розгорнути першу в Європі IBM Quantum System Two в Іспанії до 2025 року tomorrowdesk.com є частиною цієї стратегії – залучити більше людей до роботи з передовим квантовим обладнанням. Керівництво IBM прогнозує, що квантові обчислення стануть ключовою бізнес-перевагою у найближчі роки thequantuminsider.com, і вони хочуть бути в центрі цієї нової квантової економіки.
На завершення, проєкт квантового суперкомп’ютера IBM з понад 4 000 кубітів є історичним стрибком у масштабах квантових обчислень. Якщо він буде успішним, це ознаменує перехід від ізольованих, експериментальних квантових процесорів до мережевих квантових систем, які наближаються до порогу практичної корисності. Ця ініціатива знаходиться на перетині передової фізики, інженерії та комп’ютерних наук. Це так само досягнення у сфері програмного забезпечення, як і апаратного забезпечення, що вимагає нових способів керування та програмування абсолютно нового типу суперкомп’ютера. Світ уважно спостерігає – не лише за рекордною кількістю кубітів, а й за тим, чи зможе IBM продемонструвати корисні результати на цій машині, які перевершують можливості класичних комп’ютерів.
Середина 2025 року застає IBM на порозі цього досягнення: апаратна архітектура здебільшого визначена, початкові прототипи вже працюють, і компанія змагається, щоб інтегрувати все в функціональний суперкомп’ютер. Успіх не гарантований, але імпульс і прогрес на сьогодні незаперечні. Навіть конкуренти та скептики погоджуються, що IBM суттєво просунула галузь уперед. Поки ми чекаємо на повноцінний дебют квантового суперкомп’ютера IBM, одне зрозуміло – ми вступаємо в новий розділ історії обчислювальної техніки. Як сама IBM проголосила, майбутній квантово-центричний суперкомп’ютер має стати «ключовою технологією для тих, хто вирішує найскладніші завдання, проводить найпрогресивніші дослідження та розробляє найсучасніші технології» insidehpc.com.
Наступні кілька років покажуть, чи справдяться ці обіцянки, але якщо ставка IBM зіграє, 4 000 кубітів дійсно можуть змінити обчислення назавжди – відкривши двері до рішень для проблем, які ми колись вважали неможливими, і сповістивши про світанок епохи квантових обчислень.
Джерела:
- 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 презентує квантовий суперкомп’ютер, який може досягти 4 000 кубітів до 2025 року techmonitor.ai
- IEEE Spectrum: Мета IBM: процесор на 4 000 кубітів до 2025 року (аналіз дорожньої карти та викликів) spectrum.ieee.org
- InsideHPC: IBM на Think 2022 – бачення квантово-центричного суперкомп’ютера insidehpc.com
- The Quantum Insider: Дорожні карти квантових обчислень основних гравців (IBM, Google, IonQ тощо) thequantuminsider.com
- TomorrowDesk: Огляд цілі IBM щодо квантового суперкомп’ютера у 2025 році та модульного дизайну tomorrowdesk.com
- Post-Quantum (індустріальний блог): Про кількість кубітів, необхідних для зламу шифрування RSA-2048 postquantum.com
- TechMonitor: Цитати доктора Даріо Гіля з IBM та статистика IBM Quantum Network techmonitor.ai
