20 tys. razy potężniejszy. IBM tworzy kwantowego potwora

Jego stan obliczeniowy wymagałby pamięci ponad kwintyliarda (10^48) najpotężniejszych superkomputerów świata. To tak jakby próbować zmieścić całą bibliotekę Aleksandryjską w jednej kropce atramentu - i to jeszcze z zapasem.

Podczas gdy inne firmy wciąż walczą z podstawowymi problemami kwantowej korekcji błędów IBM postanowiło rzucić rękawicę przyszłości. Nowy plan rozwoju firmy nie jest jedynie listą życzeń ale konkretnym planem inżynierskim opartym na przełomowych badaniach nad kodami qLDPC (quantum low-density parity check). Te kody drastycznie redukują liczbę qubitów fizycznych potrzebnych do korekcji błędów i obcinają wymagane overhead o około 90 procent w porównaniu z innymi wiodącymi kodami.

Chairman i CEO IBM, Arvind Krishna, nie krył entuzjazmu: IBM wyznacza kolejną granicę w obliczeniach kwantowych. Nasza ekspertyza w matematyce, fizyce i inżynierii toruje drogę do wielkoskalowego, odpornego na błędy komputera kwantowego - takiego, który będzie rozwiązywał rzeczywiste wyzwania i odblokowywał ogromne możliwości dla biznesu.

Czytaj też:

Sercem tego ambitnego projektu jest innowacyjna bicycle architecture (architektura rowerowa) - nazwa, która może brzmieć jak żart, ale kryje w sobie poważną rewolucję technologiczną. W przeciwieństwie do konwencjonalnych architektur surface code, które wymagają jedynie lokalnych połączeń dwuwymiarowych, architektura rowerowa wykorzystuje długodystansowe połączenia qubitów, umożliwiając modularność i skalowalność.

Ta elegancka konstrukcja opiera się na dwuwymiarowych kodach rowerowych, które oferują znacznie lepsze parametry niż tradycyjne kody kwantowe. Podczas gdy surface codes utknęły w dwuwymiarowej bicycle codes śmiało przekraczają te ograniczenia, wykorzystując połączenia dalekiego zasięgu do osiągnięcia lepszej wydajności.

Najważniejsze korzyści architektury rowerowej to zdolność do implementacji logicznych obwodów z około dziesięciokrotnie większą liczbą qubitów logicznych przy tych samych zasobach fizycznych w porównaniu z konwencjonalnymi architekturami surface code. To różnica między jazdą na rowerze górskim po wyboistej drodze a szybowaniem po autostradzie przyszłości.

IBM nie planuje od razu przeskakiwać do Starlinga - zamiast tego przedstawia przemyślaną ścieżkę rozwoju przez kolejne generacje procesorów. IBM Quantum Loon (2025) będzie testował komponenty architektury dla kodu qLDPC, włączając w to C-couplers łączące qubity na większe odległości w ramach tego samego chipa. To pierwszy krok w sprawdzeniu, czy teoria może przemienić się w działającą technologię.

IBM Quantum Kookaburra (2026) stanie się pierwszym modularnym procesorem IBM zaprojektowanym do przechowywania i przetwarzania zakodowanych informacji. Połączy pamięć kwantową z operacjami logicznymi – podstawowym budulcem do skalowania systemów odpornych na błędy poza pojedynczy chip.

IBM Quantum Cockatoo (2027) splecie dwa moduły Kookaburra za pomocą L-couplers. Ta architektura połączy chipy kwantowe jak węzły w większym systemie, unikając konieczności budowania niepraktycznie dużych chipów.

Wreszcie wszystkie te postępy mają kulminować w IBM Quantum Starling (2029) - pierwszym wielkoskalowym, odpornym na błędy komputerze kwantowym.

Implementacja architektury rowerowej nie jest pozbawiona wyzwań. Wymaga ona długodystansowych couplerów zarówno wewnątrz modułów (gdzie każdy qubit jest połączony z niewielką liczbą innych qubitów w dowolnym miejscu modułu), jak i między modułami. W architekturze przedstawionej w badaniach moduły zawierają mniej niż 1000 qubitów fizycznych, a najdłuższe intramodularne couplery mają dziesiątki miejsc kratowych długości.

Choć implementacja długodystansowych couplerów w rzeczywistych systemach fizycznych stanowi znaczne wyzwanie to istnieje już znacząca historia badań w tym obszarze dla qubitów nadprzewodzących. Co więcej niedawno zademonstrowano transfer stanu z wiernością 98,8 proc. między qubitami transmon na odległość 0,6 metra - dowód, że fizyka nie stoi na przeszkodzie ambitnym planom IBM.

Jedną z najbardziej obiecujących cech architektury rowerowej jest jej modularność. W przeciwieństwie do monolitycznych architektur te moduły mogą być łączone lub wymieniane według potrzeb bez degradacji ogólnej wydajności.

Korzyści z modularności wykraczają poza elastyczność - mają również fundamentalne znaczenie dla rentowności produkcji. Rozważmy technologie qubitów nadprzewodzących, gdzie każdy qubit wymaga 1-2 złączy, a każdy coupler 2-3 złączy. Przy optymistycznej wydajności złączy 99,98 proc. prawdopodobieństwo pomyślnego wyprodukowania modułu gross code wynosi około 2 na 5, a dla kodu two-gross około 1 na 5.

W przeciwieństwie do tego wyprodukowanie w pełni funkcjonalnego monolitycznego chipa surface code z 5000 qubitów fizycznych udaje się tylko 1 raz na około 3000 prób, a perfekcyjne chipy z 50 000 lub 500 000 qubitami są astronomicznie nieprawdopodobne. To różnica między wygraniem w totka a znalezieniem igły w stogu siana wielkości galaktyki.

Architektura rowerowa może niezawodnie wykonywać obwody z około dziesięciokrotnie większą liczbą logicznych qubitów niż konwencjonalne architektury surface code przy użyciu tych samych zasobów fizycznych. Na przykład do symulacji problemu naukowego jak Model Isinga Pola Poprzecznego (TFIM) architektura rowerowa z kodami gross wymagałaby tylko 4817 qubitów w porównaniu z 17 010 qubitami potrzebnymi dla surface code o dystansie 9.

Oczywiście każda rewolucja ma swoją cenę - czas wykonania architektury rowerowej jest dłuższy (na operację T) niż w przypadku surface code ze względu na narzut kompilacji do instrukcji rowerowych. Ale w świecie, gdzie liczba dostępnych qubitów jest często większym ograniczeniem niż czas, to może być akceptowalnym kompromisem.

IBM Quantum Starling będzie zbudowany w nowym IBM Quantum Data Center w Poughkeepsie w stanie Nowy Jork. Wybór lokalizacji nie jest przypadkowy - IBM ma tam długą historię innowacji technologicznych, a infrastruktura potrzebna do obsługi takiego zaawansowanego systemu kwantowego wymaga starannego planowania.

Centrum będzie musiało sprostać unikalnym wyzwaniom związanym z utrzymaniem systemu kwantowego na skalę przemysłową, włączając w to ultra-niskie temperatury, izolację od zakłóceń elektromagnetycznych i precyzyjną kontrolę środowiska. To jak budowanie katedry dla pojedynczego, bardzo wybrednego atomu.

Potencjalne zastosowania wielkoskalowego, odpornego na błędy komputera kwantowego są oszałamiające. W dziedzinie rozwoju leków komputer kwantowy mógłby symulować interakcje molekularne z nieosiągalną dotąd precyzją. W odkrywaniu materiałów mógłby przewidywać właściwości nowych związków przed ich syntezą. W chemii mógłby rozwiązywać problemy optymalizacyjne, które dziś wykraczają poza możliwości nawet najpotężniejszych superkomputerów.

Starling będzie w stanie uzyskać dostęp do mocy obliczeniowej wymaganej do tych problemów, wykonując 100 mln operacji kwantowych przy użyciu 200 logicznych qubitów. Będzie to fundament dla IBM Quantum Blue Jay, który będzie zdolny do wykonywania miliarda operacji kwantowych na 2000 qubitach logicznych.

Mimo optymizmu IBM nie ukrywa, że droga do Starlinga nie będzie usłana różami. Implementacja architektury rowerowej wymaga rozwiązania kilku kluczowych problemów technicznych:

IBM nie zatrzymuje się na Starlingu. Roadmapa sugeruje, że to dopiero początek ery wielkoskalowych komputerów kwantowych. Z Starlingiem jako fundamentem przyszłe systemy mogłyby skalować do tysięcy lub dziesiątek tysięcy logicznych qubitów, otwierając drzwi do aplikacji, o których dziś możemy tylko marzyć.

Możliwości obejmują symulacje kwantowe na skalę przemysłową, kryptografię post-kwantową, optymalizację logistyczną na globalną skalę, a nawet symulacje systemów biologicznych na poziomie molekularnym. To jak przejście od abakusa do superkomputera w jednym gigantycznym skoku.

Ogłoszenie IBM pojawiło się w momencie intensywnej konkurencji w dziedzinie komputerów kwantowych. Podczas gdy inni gracze jak Google, Rigetti czy IonQ rozwijają własne podejścia do odpornych na błędy komputerów kwantowych IBM zdaje się stawiać na długoterminową wizję i systematyczny rozwój technologii.

Podejście IBM różni się od strategii moonshot niektórych konkurentów. Zamiast obiecywać przełom jutro IBM kreśli realistyczny, ale ambitny plan rozwoju na kolejne pięć lat. To różnica między obiecywaniem latających samochodów a rzeczywistym budowaniem infrastruktury dla ich przyszłego wykorzystania.

Choć Starling jest wciąż daleko od komercjalizacji IBM już dziś operuje największą flotą komputerów kwantowych na świecie dostępną przez chmurę. Ta infrastruktura stanowi idealną platformę do testowania i rozwijania algorytmów, które będą gotowe do wykorzystania na przyszłych systemach fault-tolerant.

Dla przedsiębiorstw, które chcą być na przedzie kwantowej rewolucji, teraz jest czas na rozpoczęcie eksperymentów z obecnymi systemami NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum) i przygotowanie się na kwantową erę.

Ogłoszenie IBM Quantum Starling i architektury rowerowej reprezentuje więcej niż tylko kolejny krok w rozwoju komputerów kwantowych - to fundamentalna zmiana paradygmatu w sposobie myślenia o wielkoskalowych systemach kwantowych. Poprzez inteligentne wykorzystanie modularności, innowacyjnych kodów korekcji błędów i przemyślanej inżynierii, IBM pokazuje realną ścieżkę do praktycznych komputerów kwantowych.

Czy Starling rzeczywiście pojawi się w 2029 r. i czy spełni wszystkie obietnice? Czas pokaże. Ale jedno jest pewne - IBM nie tylko marzy o kwantowej przyszłości, ale metodycznie ją buduje, qubit po qubicie, module po module. I dla entuzjastów elektroniki obserwujących tę podróż to może być najciekawsza jazda w historii technologii.

W końcu, jak mawiają w IBM: Think - ale w przypadku komputerów kwantowych, myślenie odbywa się w superpozycji wszystkich możliwych stanów jednocześnie. I to dopiero jest przyszłość warta oczekiwania.