Za pojmenováním „fellow“ se v IT korporacích, přinejmenším v té, která má vlastní základní výzkum, myslí vědec v jejích službách. Jedním z nich je Jay Gambetta, IBM Vicepresident of Quantum Computing and IBM Fellow, který popisuje dosažené výsledky a další vývoj v oblasti kvantových počítačů.
Lidé ze skupiny, která se v IBM zabývá kvantovými počítači, se podle Jaye Gambetty považují za průzkumníky, badatele. Zkoumají, kde jsou limity počítačů, mapují směry technologií, které se ještě neuskutečnily, a zjišťují, jaké mohou mít tyto technologie přínosy pro klienty, a řešit při tom ty nejtěžší úlohy na světě. Nemohou se však vydat jen tak do neznáma, proto potřebují vytyčit cestu, něco jako osnovu, roadmap.
Krátkodobý výhled a úkol
V krátkodobém výhledu je úkolem překonat omezený počet dostupných výpočetních uzlů – qubitů. Předpokládejme, že chceme dosáhnout obvodu s počtem 400 qubitů, ale máme dostupné pouze obvody se 100 qubity. Co tedy uděláme? Jednou z cest je proplést obvody klasickými komunikačními kanály (knitting).
V roce 2020 v IBM vydali první „nástřel“ dalšího postupu, aby mohli učinit další kroky: ambiciózní tříletý plán dalšího vývoje nazvali plán vývoje (development roadmap). Od té doby došlo k novým poznatkům, což dovolilo plán lépe vyladit a dokonce postoupit ještě dále, než plánovali. V současné době jsou nadšeni, že mohou plán aktualizovat: provázat kvantové počítače, CPU a GPU do výpočetní struktury, schopné řešit problémy daleko za hranicemi osamocených klasických zdrojů.
Cílem je postavit superpočítače s kvantovým výpočetním jádrem. Ty budou obsahovat kvantové procesory, klasické procesory, kvantové komunikační sítě a klasické sítě. Vše bude spolupracovat a zcela to přemění dnešní výpočetní prostředí. Aby toho však bylo možno dosáhnout, je zapotřebí vyřešit také škálování kvantových procesorů, vyvinout prostředí pro spouštění kvantových výpočtů s větší rychlostí a kvalitou, a představit bezserverový programovací model, který umožní kvantovým a klasickým procesorům bezproblémově spolupracovat.
Začátky a první kroky
Jak ale to všechno začalo? První kvantový počítač IBM umístila do cloudu v roce 2016, a v roce 2017 představila open source vývojářský kit Qiskit pro programování kvantových počítačů. V roce 2019 spustili první integrovaný kvantový výpočetní systém, nazvaný IBM Quantum System One. V roce 2020 pak vydali plán vývoje, který ukazoval, jak plánují přivést technologii kvantových počítačů ke komerčnímu použití.
Jako součást tohoto plánu pak v roce 2021 spustili 17qubitorý procesor IBM Quantum Eagle a dodali Qiskit Runtime, provozní prostředí pro společně umístěné klasické a kvantové systémy postavené tak, aby podporovaly vzájemné, kontejnerizované, rychlé a škálovatelné výpočty kvantových obvodů. První verze dala 120násobné zrychlení na výzkumných kvantových pracovních zátěžích. Zkraje roku 2022 uvedli Qiskit Runtime Services s definovanými primitivy: předpřipravené programy, které umožní vývojářům algoritmizovat snadný přístup k výstupům z kvantových počítačů a jejich výpočtů bez nutnosti tomuto druhu hardwaru porozumět.
V současné době tento plán aktualizovaný plán ukazuje další cestu.
Přípravy na bezserverové kvantové výpočty
Aby bylo možno těžit z výhod toho nejlepšího hardwaru na světě, potřebovali v IBM vyvinout uživatelský software a infrastrukturu. Různí uživatelé mají různé potřeby a zkušenosti, proto potřebovali nástroje pro každou uživatelskou skupinu: pro vývojáře jádra systému, pro vývojáře algoritmů, a nakonec pro vývojáře modelů.
Vývojáři jádra systému v IBM – to jsou ti, kteří se zaměřují na rychlejší a lepší kvantové obvody na reálném hardwaru – dopiluje se pro ně a dodá Qiskit Runtime. Za prvé se jim poskytnou dynamické obvody, které umožní zpětnou vazbu a posunou kvantové měření, aby upravily směr budoucích operací. Dynamické obvody rozšíří možnosti hardwaru omezením hloubky obvodů tím, že dovolí navrhovat obvody alternativními způsoby, a umožní kontroly parity základních operací v samotném jádru oprav kvantových chyb.
Aby se program kvantových výpočtů v roce 2023 dále zrychlil, plánují v IBM začlenit do Qiskit Runtime výpočetní vlákna, která umožní kvantové procesory paralelizovat, včetně automatické distribuce práce, která je triviálně paralelizovatelná. V roce 2024 až 2025 hodlají v Qiskit Runtime představit techniky snižování a potlačení chybovosti, aby se uživatelé mohli zaměřit na kvalitu výsledků, jaké z kvantového hardwaru dostanou. Tyto techniky v budoucnu pomohou položit základ oprav kvantové chybovosti.
Musejí však pracovat na tom, aby se kvantové výpočty dostaly do širšího užití, jako například mezi vývojáře algoritmů – ti potřebují používat kvantové obvody s klasickými výpočetními rutinami, aby mohli vytvářet aplikace, které demonstrují výhody kvantových výpočtů.
Pro vývojáře algoritmů se musejí dodělat primitivy v Qiskit Runtime Service. Unikátní síla kvantových počítačů spočívá v generování dodávek neklasické pravděpodobnosti na jejich výstupech. Následně je hodně vývoje algoritmů vztaženo k vzorkování těchto distribucí, nebo k vlastnostem jejich odhadování. Primitivy jsou souborem základních funkcí pro snadnou a efektivní práci s těmito distribucemi.
Vývojáři algoritmů požadují k řešení problémů sady menších a klasických programů, s řídící vrstvou pro jejich následné sestavení a vzájemné provázání do celkového pracovního toku. V IBM nazývají tuto infrastrukturu, zodpovědnou za takové provázání, jako Quantum Serverless. Centra Quantum Serverless umožňují kombinace okolo klasických kvantových zdrojů bez nutnosti, aby byli vývojáři experty na hardware a infrastrukturu, přičemž vývojáři tyto výpočetní zdroje potřebují, když je potřebují. V IBM plánují integrovat Quantum Serverless do základního softwarového stacku roce 2023, aby zpřístupnili základní funkčnost, jako například vzájemné proplétání obvodů (circuit knitting).
Circuit knitting – proplétání obvodů
Co se skrývá pod názvem circuit knitting – provazování obvodů? Jde o techniky, které umožňují rozdělit pro spouštění na kvantovém počítači větší obvody do menších, a poté poskládat tyto výsledky zpět dohromady na klasickém počítači.
Zkraje roku 2022 v IBM předváděli metodu proplétání obvodů nazvanou „žíhání problémů“ (entanglement forging) pro dosažení dvojnásobné velikosti kvantových systémů, které mohli adresovat stejným počtem qubitů. Circuit knitting však vyžaduje, aby bylo možno spouštět mnoho obvodů rozsetých napříč kvantovými zdroji, řízených klasickými. V IBM mají za to, že paralelizované kvantové procesory s klasickou komunikací budou schopny přinést výhody kvantových výpočtů ještě dříve, a v nedávno vydaném dokumentu je navržen způsob, jak toho dosáhnout.
Až budou všechny kostky skládačky k dispozici, bude kvantové počítání připraveno i pro vývojáře modelů – to jsou ti, kdo vyvíjejí kvantové softwarové aplikace pro nalezení řešení komplexních problémů z různých oblastí. V IBM zvažují, že by mohli už v roce 2023 začít s prototypováním kvantových softwarových aplikací pro specifické účely. Začnou proto definovat tyto služby na prvním testovacím příkladu – strojovém učení – ve spolupráci s partnery, aby urychlili cestu k užitečnému využití kvantových softwarových aplikací. Očekávají, že do roku 2025 budou moci vývojáři modelů využívat kvantové aplikace ve strojovém učení, optimalizaci, přírodních vědách a dále.
Řešení problému škálování
Samozřejmě se ví, že středobodem kvantového počítání je hardware, jenž umožňuje kvantové výpočty spouštět. Také se ví, že k dosažení plného potenciálu kvantového systému by mohlo být zapotřebí stovek tisíc, možná milionu vysoce kvalitních qubitů. Proto je nutné odhadnout, jak tyto procesory škálovat.
S 433qubitovým procesorem Osprey a 1 121qubitovým procesoru Condor, uvolněných k testování v roce 2022 a 2023, budou testovat limity jednočipových procesorů a řídit rozsáhlé kvantové systémy, začleněné do IBM Quantum System Two. V IBM však neuvažují postavit velké kvantové počítače na gigantickém čipu. Místo toho hledají způsoby, jak propojit procesory do modulárního systému, schopného škálování bez fyzikálních omezení.
Aby vyřešili škálování, hodlají použít tři různé přístupy.
Za prvé, IBM v roce 2023 představí 133qubitový procesor Heron s řídícím hardwarem, který dovolí klasickou komunikaci mezi oddělenými procesory v reálném čase, čímž umožní metody proplétání popsané výše.
Druhým přístupem je rozšíření velikosti kvantových procesorů s využitím vícečipových. Crossbill, 408qubitový procesor, bude vyroben ze tří čipů propojených vazebními obvody mezi nimi, což dovolí kontinuální vytváření mřížek (heavy-hex lattices) napříč více čipy. Důvodem pro volbu takové architektury je, aby k ní uživatelé přistupovali jako k jednomu velkému procesoru.
Společně se škálováním pomocí modulárního propojení vícečipových procesorů, v IBM plánují v roce 2024 uvést třetí způsob: kvantovou komunikaci mezi procesory pro podporu kvantové paralelizace. Představí 462qubitový procesor Flamingo s vestavěným kvantovým komunikačním propojením, a pak zveřejní a uvedou tuto architekturu s propojením přinejmenším tří procesorů Flamingo v 1 386qubitovém systému. Očekávají, že toto propojení bude mít za výsledek pomalejší a méně důvěryhodná hradla napříč procesory. Aby uživatelé mohli tento systém co nejlépe využít, musí být použitý software schopen vzít tuto odhadovanou vlastnost architektury v úvahu.
Kvantová komunikace přes dvouqubitová hradla mezi navzájem oddělenými čipy.
Poznatky ohledně škálování přinesou pokrok za účelem plně využít jeho plného potenciálu. V roce 2025 hodlá IBM představit procesor Kookabura. Půjde o 1 386qubitový vícečipový procesor s kvantovým komunikačním propojením. Pro demonstraci uživatelům propojí tři čipy Kookabura do 4 158qubitového systému, propojeného kvantovou komunikací.
Kombinace těchto technologií – klasické paralelizace, vícečipových kvantových procesorů a kvantové paralelizace – dá IBM k dispozici tři součásti, které pro plánování škálování počítačů „až do nebe“ potřebují. V roce 2025 efektivně odstraní hranice na cestě ke škálování kvantových procesorů s modulárním kvantovým hardwarem a doprovodnou řídící elektronikou a kryogenní infrastrukturou. Zavedení modularity jak do softwaru, tak do hardwaru, bude podle IBM klíčem k dosažení daleko většího škálování, než jaké má konkurence.
Superpočítač s kvantovým jádrem
Aktualizovaný plán sahá až do roku 2025 – ale vývoj se zde nezastaví. Do té doby se odstraní některá největší omezení na cestě ke škálování kvantového hardwaru, zatímco bude pokračovat vývoj nástrojů a technik schopných začlenění kvantového počítání do výpočetních pracovních toků. Jak se pokračujeme ke kvantové budoucnosti, bude tato změna obdobná jako nahrazení papírových map za satelitní systémy GPS.
V IBM však nepřemýšlejí jen o kvantových počítačích. Pokoušejí se také vnést myšlenku posunu v pokroku ve výpočtech vůbec. Mnohá léta byly tažným koněm výpočtů v celé společnosti superpočítače s jádrem CPU a jako klíčový vývojář těchto systémů sloužila IBM. V několika uplynulých letech bylo možno vidět nástup superpočítačů zaměřených na AI, kde v gigantických systémech spolupracovaly CPU a GPU, aby zpracovávaly náročné úlohy.
IBM nyní představuje věk superpočítače s kvantovým srdcem (quantum-centric supercomputer), kde budou společně s CPU a GPU do výpočetní struktury provázány kvantové zdroje – QPU. V IBM panuje přesvědčení, že jako základ bude sloužit technologie superpočítače s kvantovým jádrem pro ty, kteří budou řešit největší problémy, kteří budou provádět nejnáročnější výzkum, a kteří budou vyvíjet nejlepší technologie.
Cesta už byla vytýčena, avšak hledání na „slepé mapě“ není snadné. Pokoušejí se přepsat výpočetní pravidla v několika málo letech. Cesta po této mapě bude ještě vyžadovat vyřešit některé velmi těžké inženýrské a fyzikální problémy.
Mají však důvěru v sebe sama – už došli dost daleko, i díky nové pomoci celosvětového týmu výzkumníků IBM Quantum Network, díky komunitě open source Qiskit, a rozrůstající se komunitě vývojářů jádra, algoritmů a modelů.
