IBM obiecuje 1000-qubitowy komputer kwantowy – kamień milowy do 2023 roku

Od 20 lat naukowcy i inżynierowie mówią, że „pewnego dnia” zbudują pełnoprawny komputer kwantowy zdolny do wykonywania użytecznych obliczeń, które przerosłyby każdy konwencjonalny superkomputer. Jednak obecne maszyny zawierają zaledwie kilkadziesiąt bitów kwantowych, czyli qubitów, zbyt mało, aby wykonać cokolwiek oszałamiającego. Dziś IBM skonkretyzował swoje aspiracje, ogłaszając publicznie „mapę drogową” rozwoju komputerów kwantowych, w tym ambitny cel zbudowania jednego zawierającego 1000 qubitów do 2023 r. Obecnie największy komputer kwantowy IBM, ujawniony w tym miesiącu, zawiera 65 qubitów.

„Jesteśmy bardzo podekscytowani” – mówi Prineha Narang, współzałożycielka i dyrektor ds. technologii w Aliro Quantum, startupie specjalizującym się w kodzie, który pomaga oprogramowaniu wyższego poziomu efektywnie działać na różnych komputerach kwantowych. „Nie znaliśmy konkretnych kamieni milowych i liczb, które zostały ogłoszone” – mówi. Plan zakłada budowę maszyn średniej wielkości, o pojemności 127 i 433 qubitów, odpowiednio w 2021 i 2022 roku, a następnie budowę maszyny o pojemności miliona qubitów w bliżej nieokreślonym terminie. Dario Gil, dyrektor ds. badań w IBM, powiedział, że jest przekonany, iż jego zespół będzie w stanie dotrzymać harmonogramu. „Mapa drogowa to coś więcej niż plan i prezentacja w PowerPoint,” mówi. „To wykonanie.”

IBM nie jest jedyną firmą, która ma zamiar zbudować pełnoprawny komputer kwantowy – maszynę, która wykorzystałaby dziwne zasady mechaniki kwantowej do wykonania obliczeń, które przerastają możliwości konwencjonalnych komputerów. Przynajmniej pod względem public relations, IBM dogania Google, które rok temu trafiło na pierwsze strony gazet, gdy firma ogłosiła, że jej naukowcy wykorzystali 53-qubitowy komputer kwantowy do rozwiązania konkretnego abstrakcyjnego problemu, który według nich przerósłby każdy konwencjonalny komputer – osiągając kamień milowy znany jako supremacja kwantowa. Google ma własny plan zbudowania komputera kwantowego o mocy miliona kwubitów w ciągu 10 lat, jak wyjaśnił Hartmut Neven, który kieruje działaniami Google w zakresie obliczeń kwantowych, w kwietniowym wywiadzie, chociaż odmówił ujawnienia konkretnego harmonogramu postępów.

Zadeklarowana przez firmęIBM linia czasu wiąże się z oczywistym ryzykiem, że wszyscy będą wiedzieć, jeśli przegapi ona swoje kamienie milowe. Ale firma zdecydowała się ujawnić swoje plany, aby jej klienci i współpracownicy wiedzieli, czego się spodziewać. Dziesiątki początkujących firm zajmujących się obliczeniami kwantowymi wykorzystują obecne maszyny IBM do tworzenia własnego oprogramowania, a znajomość kamieni milowych IBM powinna pomóc programistom lepiej dostosować swoje wysiłki do sprzętu, twierdzi Gil.

Jedną z firm dołączających do tych wysiłków jest Q-CTRL, która tworzy oprogramowanie optymalizujące kontrolę i wydajność poszczególnych qubitów. Jak twierdzi Michael Biercuk, założyciel i dyrektor generalny Q-CTRL, ogłoszenie IBM pokazuje inwestorom kapitału wysokiego ryzyka, że firma poważnie myśli o rozwoju tej wymagającej technologii. „Ma to znaczenie dla przekonania inwestorów, że ten duży producent sprzętu komputerowego mocno naciska na tę kwestię i inwestuje znaczące środki,” mówi.

Maszyna 1000-qubitowa jest szczególnie ważnym kamieniem milowym w rozwoju pełnoprawnego komputera kwantowego, mówią naukowcy. Taka maszyna byłaby wciąż 1000 razy za mała, aby w pełni wykorzystać potencjał obliczeń kwantowych – np. złamać obecne schematy szyfrowania w Internecie – ale wystarczająco duża, aby wykryć i skorygować niezliczone błędy, które zwykle nękają delikatne bity kwantowe.

Bit w zwykłym komputerze to przełącznik elektryczny, który może być ustawiony na zero lub jeden. W przeciwieństwie do tego, qubit jest urządzeniem kwantowym – w maszynach IBM i Google’a każdy z nich jest maleńkim obwodem nadprzewodzącego metalu schłodzonego do niemal zera absolutnego – który może być ustawiony na zero, jeden lub, dzięki dziwnym zasadom mechaniki kwantowej, na zero i jeden w tym samym czasie. Jednak najmniejsza interakcja z otoczeniem ma tendencję do zakłócania tych delikatnych dwukierunkowych stanów, więc naukowcy opracowali protokoły korekcji błędów, aby rozprowadzić informacje zwykle zakodowane w pojedynczym fizycznym qubicie do wielu z nich w taki sposób, że stan tego „logicznego qubitu” może być utrzymywany w nieskończoność.

W planowanej maszynie o mocy 1121 qubitów naukowcy IBM byliby w stanie utrzymać garść logicznych qubitów i sprawić, że będą ze sobą współdziałać, mówi Jay Gambetta, fizyk, który kieruje pracami IBM nad obliczeniami kwantowymi. To jest dokładnie to, co będzie potrzebne, aby zacząć tworzyć pełnowartościowy komputer kwantowy z tysiącami logicznych qubitów. Taka maszyna oznaczałaby „punkt zwrotny”, w którym uwaga badaczy przesunęłaby się z obniżania poziomu błędów w poszczególnych qubitach na optymalizację architektury i wydajności całego systemu, twierdzi Gambetta.

IBM już przygotowuje lodówkę ciekłego helu, czyli kriostat, który pomieściłby komputer kwantowy z milionem qubitów. Mapa drogowa IBM nie precyzuje, kiedy taka maszyna mogłaby powstać. Ale jeśli naukowcy firmy rzeczywiście będą w stanie zbudować 1000-qubitowy komputer w ciągu najbliższych 2 lat, ten ostateczny cel będzie brzmiał o wiele mniej fantastycznie niż teraz.