IBM představuje Starling: Plán pro kvantové výpočty odolné vůči chybám

Společnost IBM oznámila odvážnou vizi vývoje prvního rozsáhlého kvantového počítače na světě odolného vůči chybám, což představuje klíčový krok k praktickému a škálovatelnému kvantovému výpočetnictví. Nejnovější plán společnosti, představený spolu s tímto oznámením, podrobně popisuje jasnou cestu k překonání technických bariér, které kvantové systémy dlouhodobě omezovaly na experimentální a maloobjemové aplikace.

IBM Quantum Starling: Skok ve výpočetním výkonu

Ústředním bodem strategie IBM je systém IBM Quantum Starling, jehož dodání se očekává v roce 2029. Tento kvantový počítač bude umístěn v novém datovém centru IBM Quantum v Poughkeepsie ve státě New York a předpokládá se, že zvládne 20 000krát více operací než dnešní kvantové počítače. Výpočetní kapacita Starlingu je tak rozsáhlá, že její reprezentace by vyžadovala více paměti než kvindecilion (10^48) nejvýkonnějších superpočítačů světa dohromady. Díky tomuto skoku budou uživatelé schopni prozkoumávat kvantové stavy a výpočetní složitost daleko za hranicemi současných kvantových systémů.

Globální flotila kvantových počítačů IBM již v tomto odvětví vede. Nová plánovací mapa však připravuje půdu pro praktický, chybově odolný kvantový počítač schopný řešit reálné obchodní a vědecké výzvy. Arvind Krishna, předseda představenstva a generální ředitel IBM, zdůraznil, že pokrok společnosti je zakořeněn v jejích hlubokých odborných znalostech v matematice, fyzice a inženýrství, které směřují k vybudování kvantového počítače, jenž dokáže řešit smysluplné problémy a otevírat nové obchodní příležitosti.

Příslib kvantových výpočtů odolných vůči chybám

Velký, chybově odolný kvantový počítač se stovkami nebo tisíci logických qubitů by mohl provádět stovky milionů až miliardy operací. Tato schopnost má potenciál transformovat průmyslová odvětví dramatickým zlepšením časové a nákladové efektivity v oblastech, jako je objevování léčiv, materiálová věda, chemie a komplexní optimalizace.

IBM Quantum Starling bude první počítač, který zvládne 100 milionů kvantových operací s využitím 200 logických qubitů, čímž položí základy pro IBM Quantum Blue Jay nové generace, která bude škálovatelná na 1 miliardu operací napříč 2 000 logickými qubity. Logické qubity, stavební kameny kvantových počítačů s korekcí chyb, jsou konstruovány ze shluků fyzických qubitů, které společně ukládají kvantové informace a monitorují chyby. Tato architektura je nezbytná pro potlačení chyb a umožnění rozsáhlých a spolehlivých kvantových výpočtů.

Korekce chyb je pro kvantové výpočty stejně důležitá jako pro klasické systémy. Seskupením fyzických qubitů do logických qubitů může IBM exponenciálně snížit míru chyb, což umožňuje složitější a déle běžící kvantové obvody. Výzvou je zvýšení počtu logických qubitů a zároveň minimalizace potřebných fyzických zdrojů – což je překážka, která dosud neměla praktické řešení bez nadměrných technických režijních nákladů.

Návrh škálovatelné a odolné architektury

Cesta k rozsáhlým a chybám odolným kvantovým výpočtům závisí na volbě kódu pro opravu chyb a schopnosti systému tento kód efektivně škálovat. Tradiční kódy pro opravu chyb, ačkoli jsou teoreticky účinné, vyžadují neprakticky velký počet fyzických qubitů a podpůrné infrastruktury, což je činí nevhodnými pro cokoli nad rámec demonstrací v malém měřítku.

Přístup IBM definuje několik klíčových architektonických požadavků, včetně:

• Systém musí být dostatečně odolný vůči chybám, aby potlačil chyby u praktických algoritmů.
• Musí podporovat přípravu, měření a manipulaci s logickými qubity v průběhu celého výpočtu.
• Pro logické qubity se musí vztahovat univerzální instrukce s dekódováním v reálném čase a adaptivním řízením.
• Architektura musí být modulární, aby se dala škálovat na stovky nebo tisíce logických qubitů, a dostatečně efektivní, aby fungovala v rámci realistických fyzikálních a energetických omezení.

Aby se společnost IBM s těmito výzvami vypořádala, představila dva technické dokumenty, které podrobně popisují svá řešení. První dokument popisuje, jak mohou kódy kvantové kontroly parity s nízkou hustotou (qLDPC) zpracovávat instrukce a provádět operace s dramaticky sníženou režií, čímž se počet potřebných fyzických qubitů ve srovnání s předchozími metodami sníží přibližně o 90 %. Tento průlom, o kterém se psalo na obálce časopisu Nature , demonstruje efektivitu a škálovatelnost přístupu qLDPC.

Druhý článek představuje metodu pro efektivní dekódování informací z fyzických qubitů a opravu chyb v reálném čase s využitím konvenčních výpočetních zdrojů. Tyto pokroky dohromady tvoří páteř škálovatelné a odolné kvantové architektury IBM.

Plán k realizaci: Klíčové milníky

Aktualizovaný plán vývoje kvantových počítačů od IBM nastiňuje řadu technologických milníků, z nichž každý je navržen tak, aby řešil specifické výzvy při stavbě modulárních, škálovatelných a chybově korigovaných kvantových počítačů:

• IBM Quantum Loon (2025): Tento procesor bude testovat architektonické komponenty kódu qLDPC, včetně „C-vazebních členů“, které umožňují propojení na dlouhé vzdálenosti mezi qubity na stejném čipu.
• IBM Quantum Kookaburra (2026): Jako první modulární procesor IBM bude Kookaburra integrovat kvantovou paměť s logickými operacemi a vytvoří tak základní stavební kámen pro škálování systémů odolných vůči chybám nad rámec jednoho čipu.
• IBM Quantum Cockatoo (2027): Tento systém propojí dva moduly Kookaburra pomocí „L-vazebních členů“, čímž propojí kvantové čipy jako uzly ve větším systému a eliminuje potřebu neprakticky velkých čipů.

Vize společnosti IBM pro kvantové výpočty je ambiciózní a technicky obstojná. Zaměřením se na korekci chyb, škálovatelnost a efektivitu se IBM snaží stát se lídrem v kvantové éře. Její plán a průlomové objevy signalizují novou kapitolu v řešení problémů, které klasické počítače nedokážou vyřešit.