IBM Quantum Computing 2025-2029: Závod o kvantovou výhodu odolnou proti poruchám

IBM Quantum Computing 2025-2029: Závod o kvantovou výhodu odolnou proti poruchám

Revoluční procesor Quantum Nighthawk společnosti IBM představuje velký skok směrem ke kvantové výhodě (Zdroj: IBM Research / Tom's Hardware)

Shrnutí

Společnost IBM stojí v čele kvantové počítačové revoluce, která slibuje zásadní proměnu způsobu, jakým pracujeme. přístup k výpočetním výzvám. S nedávným představením procesoru IBM Quantum Nighthawk a a komplexní cestovní mapu sahající až do roku 2029 společnost nastínila ambiciózní cestu od dnešních kvantových utilit ke kvantovým počítačům. ke kvantovým počítačům odolným vůči poruchám, které jsou schopny provozovat obvody se 100 miliony hradel.

Tato cesta zahrnuje průlomové hardwarové inovace, revoluční vývoj softwaru prostřednictvím Qiskitu, strategická partnerství s předními společnostmi v oboru, jako je Cisco, a zavedení pokročilé výroby. které IBM staví do pozice jasného lídra v závodě o kvantovou výhodu.

Úsvit kvantové výhody

Kvantová výpočetní technika se ocitla v klíčovém okamžiku. Výzkumníci IBM a jejich globální partneři nyní předvádějí kvantové obvody, které zpochybňují možnosti klasických superpočítačů, a představují tak první krok k začátek toho, čemu odborníci říkají "éra kvantové výhody". [1]

Na nedávné konferenci Quantum Developer Conference představila společnost IBM tři různé kandidáty na kvantové experimenty. zahrnující pozorovatelné odhady, variační algoritmy a problémy s efektivními klasickými algoritmy. ověřováním. Aby bylo zajištěno důkladné ověření těchto pokroků, spolupracovala společnost IBM s výzkumnými pracovníky společnosti Algorithmiq. z Flatiron Institute a BlueQubit, aby spustili otevřený, komunitou vedený nástroj pro sledování kvantové výhody.

"Jsme přesvědčeni, že IBM je jedinou společností, která je schopna rychle vynalézt a rozšířit kvantový software, hardwaru, výroby a korekce chyb, aby bylo možné odemknout transformační aplikace," prohlásil Jay Gambetta, ředitel IBM Research a člen IBM. [1]

IBM Quantum Nighthawk: Architektura pro výhodu

Výzkumník IBM drží v ruce kvantový procesor Nighthawk se 120 qubity v revoluční čtvercové mřížce. .

Procesor IBM Quantum Nighthawk představuje paradigmatickou změnu v návrhu kvantové architektury. Je postaven na Nighthawk obsahuje 218 laditelných spojek nové generace, což je významný pokrok v oblasti kvantové technologie. oproti 176 spřáhlům IBM Quantum Heron. [2]

Tato rozšířená konektivita umožňuje obvody s 30% větší složitostí než předchozí procesory IBM a zároveň při zachování nízké chybovosti, která je pro aplikace s kvantovou výhodou nezbytná. Konstrukce čtvercové mřížky zajišťuje že každý qubit se připojuje přímo ke čtyřem nejbližším sousedům ve srovnání se dvěma nebo třemi připojeními, která jsou k dispozici. v těžkých šestihranných mřížkách.

Technické specifikace

Plán vývoje systému Nighthawk přesahuje počáteční kapacitu 5 000 bran dodanou v roce 2025. IBM projektuje brány že počet bran dosáhne 7 500 do konce roku 2026, 10 000 bran v roce 2027 a nakonec 15 000 dvouqubitových bran v roce 2028. V kombinaci s l-spojkami pro propojení mezi moduly by systémy založené na technologii Nighthawk mohly podporovat více než 1 000 modulů. propojených qubitů.

IBM Quantum Loon: Plán pro odolnost proti poruchám

Procesor IBM Quantum Loon demonstruje všechny klíčové hardwarové komponenty potřebné pro kvantovou odolnost vůči poruchám. .

IBM Quantum Loon, který běží souběžně s časovou osou vývoje Nighthawku, slouží jako experimentální projekt. procesoru, který demonstruje všechny kritické komponenty potřebné pro kvantový procesor odolný vůči poruchám. (FTQC). Tento 112-qubitový procesor ověřuje architektonické základy nezbytné pro kvantovou výpočetní techniku. paritní kontroly s nízkou hustotou (qLDPC). [3]

Loon využívá několik průlomových technologií, včetně c-spojky, která umožňuje připojení na velké vzdálenosti. mezi vzdálenými qubity v rámci jednoho čipu, několik vysoce kvalitních směrovacích vrstev a možnost resetování qubitů. které jsou nezbytné pro protokoly opravy chyb. Tyto inovace tvoří technický základ pro dvourozměrné čipy IBM. cyklických kódů, které snižují fyzickou režii qubitů až o 90% ve srovnání s povrchovými kódy.

Pohled na IBM Quantum Loon zblízka ukazuje c-spojky, které umožňují propojení qubitů na velké vzdálenosti v rámci čipu (Zdroj: IBM Research)

Cestovní mapa k systému Starling s odolností proti poruchám

Umělecké ztvárnění systému IBM Quantum Starling, prvního kvantového počítače IBM odolného proti poruchám.

Systém Starling představuje vyvrcholení výzkumu společnosti IBM v oblasti kvantových počítačů odolných vůči poruchám. Je založen na Starling, který je založen na průlomových dvourozměrných cyklických kódech publikovaných v časopise Nature, bude implementovat modulární kvantový systém. architekturu využívající logické výpočetní jednotky a univerzální adaptéry k dosažení bezprecedentního výpočetního rozsahu. [4]

Qiskit Evolution: Software pro kvantovou výhodu

Samotný pokrok v oblasti hardwaru nemůže přinést kvantovou výhodu - musí být spojen se stejně sofistikovanými technologiemi. softwarovými schopnostmi. Open-source sada Qiskit SDK společnosti IBM nadále určuje standardy pro kvantové programování, a to díky těmto vlastnostem verze 2.2 přináší výkonnostní zlepšení, které překonává konkurenční platformy.

Nejnovější benchmarky ukazují, že Qiskit SDK v2.2 transponuje kvantové obvody 83krát rychleji než alternativní řešení. frameworky jako Tket 2.6.0. Tato výkonnostní výhoda se stává kritickou při práci se složitými obvody. potřebných pro aplikace s kvantovou výhodou. [5]

Klíčové softwarové inovace

C API a integrace HPC: Qiskit v2.x zavádí rozhraní API jazyka C, které umožňuje nativní integraci s vysoce výkonných výpočetních prostředí. Nové rozhraní C++ umožňuje spouštět kvantově-klasické pracovní zátěže. v distribuovaných výpočetních infrastrukturách.

Dynamické obvody v měřítku: Pokročilé anotace obvodů umožňují dynamické obvody pro veřejnou potřebu které zahrnují klasické operace během kvantového provádění. Tato schopnost přináší až 25% přesnější data. a zároveň snižuje požadavky na dvouqubitová hradla o 58%.

Pokročilé zmírňování chyb: Nové nástroje, jako je Samplomatic a primitivní executor, umožňují sofistikované techniky zmírňování chyb, které snižují režii vzorkování více než stokrát ve srovnání se standardními technikami. pravděpodobnostními metodami rušení chyb. [6]

Aktualizace plánu společnosti IBM na rok 2025 v oblasti kvantové technologie nastiňuje cestu ke kvantové výhodě a odolnosti proti chybám.

Partnerství IBM-Cisco: Síťové kvantové počítače

V listopadu 2025 oznámily společnosti IBM a Cisco průkopnickou spolupráci na vývoji síťově distribuovaného kvantových výpočtů. Cílem tohoto partnerství je propojit několik rozsáhlých kvantových systémů odolných vůči poruchám. počítačů do jednotné výpočetní sítě do začátku roku 2030. [7]

Spolupráce řeší jednu z nejvýznamnějších výzev kvantové výpočetní techniky: jak dosáhnout výpočetního výkonu, který přesahuje možnosti jednotlivých kvantových systémů. Propojením kvantových počítačů, se problémy vyžadující biliony kvantových bran stanou teoreticky proveditelnými.

Technická architektura

Quantum Networking Unit (QNU): Společnost IBM bude vyvíjet specializovaná rozhraní, která převedou stacionární kvantové informace v rámci kvantových procesorových jednotek (QPU) na "létající" kvantové informace, které mohou být přenášet přes síťová spojení.

Mikrovlnné optické snímače: Tato zařízení umožní přenos kvantového stavu na delší vzdálenosti. vzdálenosti, což může vést k propojení kvantových počítačů v různých budovách nebo datových centrech.

Síťové zpravodajství: Kvantový síťový rámec společnosti Cisco bude dynamicky rekonfigurovat síť. cesty a distribuovat entanglementové zdroje na vyžádání, aby podporovaly komplexní kvantové algoritmy.

Partnerství se zaměřuje na počáteční demonstraci konceptu do roku 2030, přičemž konečným cílem je. vytvořit základní technologie pro kvantový internet do konce roku 2030.

300 mm Výroba: Výroba v měřítku

Výzkumník IBM drží 300mm destičku obsahující několik kvantových procesorů Nighthawk

Přechod společnosti IBM na výrobu 300mm destiček v komplexu Albany NanoTech představuje zásadní posun ve výrobě destiček. ve výrobě kvantových procesorů. Toto vyspělé zařízení umožňuje společnosti IBM zdvojnásobit výzkum a rychlost vývoje a zároveň desetinásobně zvýšit složitost čipů. [8]

300mm výrobní proces zahrnuje nejmodernější polovodičové nástroje s odbornými znalostmi společnosti IBM v oblasti kvantové technologie, umožňuje paralelně provádět více iterací návrhu. Tento přístup již zkrátil vývoj procesorů nejméně o polovinu a zároveň podporuje komplexní architektury potřebné pro kvantové výpočty odolné vůči poruchám.

300mm čisté prostory v komplexu NanoTech v Albany společnosti NY Creates, kde se vyrábějí kvantové procesory IBM

Dekodér RelayBP: Korekce chyb v reálném čase

Kvantová výpočetní technika odolná vůči poruchám vyžaduje schopnosti opravy chyb v reálném čase, které dokáží dekódovat syndrom. rychleji, než se chyby hromadí. Dekodér RelayBP společnosti IBM představuje průlom v této kritické oblasti. a dosahuje rychlosti dekódování méně než 480 nanosekund, což je přibližně desetkrát rychleji než u předních výrobců. alternativních přístupů. [9]

Algoritmus RelayBP je speciálně navržen tak, aby byl přesný, rychlý, kompaktní a dostatečně flexibilní pro. implementaci na programovatelných hradlových polích (FPGA) nebo na integrovaných obvodech pro konkrétní aplikace (ASIC). Tento úspěch byl dokončen o celý rok dříve, než IBM původně plánovala, což dokazuje schopnost společnosti překonat své závazky vyplývající z plánu.

Poughkeepsie: Dědictví počítačových inovací

Render datového centra IBM v Poughkeepsie se současnými kvantovými systémy a budoucím počítačem Starling

Zařízení IBM v Poughkeepsie nese dědictví počítačových inovací trvající více než osm desetiletí. Od svého založení v roce 1941 bylo toto historické místo domovem průkopnických projektů, jako např. IBM 701 (první komerční počítač společnosti v roce 1952), revoluční řady mainframů System/360 a dalších. nejpokročilejší kvantové počítače současnosti.

Ve stávajícím kvantovém datovém centru IBM v Poughkeepsie jsou v současnosti umístěny nejvýkonnější kvantové počítače na světě. přístupné prostřednictvím platformy IBM Quantum Platform. Do roku 2029 bude v tomto zařízení umístěn systém Starling, který bude představovat tzv. další kapitolu v pozoruhodné historii výpočetní techniky v Poughkeepsie. [4]

Kvantový systém IBM Quantum System Two instalovaný v datovém centru v Poughkeepsie, kde jsou v současnosti umístěny nejpokročilejší kvantové počítače na světě (Foto: IBM, 2025)

Projev společnosti IBM na konferenci Quantum Developer Conference 2025 o stavu Unie

Časová osa a prognózy společnosti Quantum Advantage