Tento týden IBM představilo svoje plány pro softwarovou část kvantových počítačů a před nedávnem i plán na kvantové procesory na deset let dopředu. Nyní se na to podíváme detailněji.

Ale nejdříve se podíváme na nějaká fakta, která vykreslují situaci IBM na poli kvantových počítačů. IBM na poli kvantových počítačů pracuje již celá desetiletí. Významná práce je například z roku 1996, kdy zaměstnanec IBM DiVincenzo formuloval minimální požadavky na kvantový počítač. Již o dva roky později v IBM ve spolupráci s MIT demonstrovali první kvantový algoritmus (tzv. Deutschův algoritmus) na 2-qubitovém stroji na bázi jaderné magnetické rezonance.

Zásadní zlom pak přišel v roce 1996, kdy IBM vypustilo svůj kvantový cloud Quantum Experience, tehdy s 5-qubitovým procesorem. V podstatě se jednalo o vůbec první veřejnosti dostupný kvantový cloud, který navíc (s jistými omezeními) mohl každý využívat zdarma. V roce 2017 v rámci Quantum Experience už byly dostupné dva 5-qubitové a jeden šestnáctiqubitý procesor. Dnes již je v rámci cloudu dostupných několik procesorů a v roce 2019 IBM představilo svůj 53-qubitový procesor.

Později IBM spustilo sekci IBM Quantum Network, komunita společností, startupů, univerzit a výzkumných organizací, které s IBM spolupracují jak na vývoji, tak i na uplatnění kvantových počítačů. Členové této komunity mají typicky přístup k novějším kvantovým procesorům, než jaké jsou k dispozici v Quantum Experience.

Paralelně s tím IBM v roce 1997 vytvořilo open-source platformu Qiskit. Jedná se o platformu na bázi jazyka Python pomocí kterého lze programovat kvantové obvody a bylo plně integrováno do IBM Quantum Experience. Dnes se Qiskit řadí mezi jeden z nejoblíbenějších kvantových programovacích nástrojů i díky velmi aktivní a silné komunitě a vynikající dokumentaci i s výukovými materiály.

Ještě zmiňme 1-qubitový procesor Armonk, který je rovněž přístupný z IBM Quantum Experience. Podstatné je, že tento procesor lze z cloudu ovládat na úrovni mikrovlnných signálů. To umožňuje širší veřejnosti se seznámit s prací s kvantovými procesory na nejnižší softwarové úrovni, pak už je jen hardware. Kromě funkce qubitu jako jednotky kvantové informatiky, s tímto procesorem lze provádět i fyzikální experimenty, např. Rabiho experiment.

Plány IBM pro kvantové procesory

V září 2020 IBM představilo své plány pro kvantové procesory.

• 2019: IBM Falcon – 27 qubitů
• 2020: IBM Hummingbird – 65 qubitů
• 2021: IBM Eagle – 127 qubitů (ve vývoji)
• 2022: IBM Osprey – 433 qubitů (ve vývoji)
• 2023: IBM Condor – 1 121 qubitů

Pro procesory větší než Condor, IBM vyvíjí větší mrazáky, než jaké jsou komerčně dostupné. Obecně platí, že supravodivé qubity musí být chlazeny na mili kelviny a čím více qubitů máte, tak je i více kabeláže vedoucí do mrazáku. To značně ztěžuje i samotné chlazení, neboť se musí chladit i veškerá kabeláž. Nicméně trendem je zavádění řízení pomocí multiplexingu a pomocí řídících čipů přímo v mrazáku a tím pádem velká část kabeláže bude jen mezi řídícími čipy a procesorem. Avšak nároky na takový řídící čip kolem absolutní nuly jsou pomerně vysoké.

Milníkem bude pak 127-qubitový Eagle. Kromě toho, že se překoná pomyslná meta 100 qubitů, tak IBM chce nasadit na tyto procesory i svůj „heavy-hexagonal“ kód pro korekci kvantových chyb. Tzn. pojem logického qubitu začne nabírat reálnějších kontur.

Procesor Condor v roce 2023, IBM považuje za inflexní bod ve smyslu, že následný vývoj, a hlavně uplatnění poroste mnohem rychleji. Očekává se na základě zkušeností z procesorů Eagle a Osprey, že procesor Condor bude mít větší fidelitu, delší kohereční čas, lépe fungující korekční kódy. Condor se také uvažuje za bod, kdy bychom mohli opravdu seriózně, a hlavně prakticky dosáhnout opravdové kvantové výhody (quantum advantage).

Plány IBM pro vývoj okolo kvantových procesorů

V únoru 2021 IBM zveřejnilo další své plány týkající se vývoje jejich platformy pro kvantové počítače. IBM dále chce zachovat maximálně open-source a kolaborativní přístup. Samotnou platformu lze rozdělit do tří částí.

Kvantové jádro (quantum kernel) nejnižší vrstva, která generuje vlastní kvantové obvody včetně řídících instrukcí pro jednotlivé impulsy. Nad jádrem je pak vrstva kvantových algoritmů a pak vrstva modelů, která používá jednotlivé kvantové algoritmy k řešení nějakých praktických úloh.

IBM plánuje zavedení nových schopností a vymožeností, na které se teď podíváme detailněji.

Prvně tady máme schopnost měření qubitů uprostřed algoritmu a následné znovupoužití změřeného qubitu. Dosud se měření dalo aplikovat vždy jen na konci kvantového obvodu a změřený qubit nešlo znova inicializovat. Poznamenejme, že této schopnosti dosáhl Honeywell se svým kvantovým počítačem z uvězněných iontů již v roce 2019.

Další novou možností jsou dynamické kvantové obvody nebo by se to dalo nazvat i jako implementace IF klauzulí. IF podmínky je něco, co kvantové programování nezná a neumí implementovat. Jedním z důvodů je, že pro rozhodnutí je potřeba provést měření nějakých qubitů a poté se rozhodnout. Pro příklad, jeden qubit lze změřit a pak jej použít například pro CNOT operaci jako řídící qubit. To by mělo být součástí OpenQASM3 a ne dříve než v roce 2022. A pravděpodobně to nepůjde implementovat na všechny starší procesory zpětně.

Plánuje se i další vylepšení hybridních systémů (Quantum Runtime System). Například algoritmy pro chemické simulace se skládají z řídícího algoritmu, který je klasický a který opakovaně volá kvantový obvod s VQE nebo QAOA algoritmem. Zde je spousta prostoru, jak vylepšit interoperabilitu v rámci hybridních systémů. Například, díky současným optimalizacím hybridních systémů zvládli inženýři v IBM zkrátit konkrétní chemické simulace ze 111 dní na 16 hodin.

Součástí platformy Qiskit je i část zvaná Qiskit Aqua, která obsahuje již připravené rutiny pro použití v chemii, financích, strojovém učení nebo optimalizacích. IBM chce pokračovat ve vývoji tohoto modulu i ve spolupráci s komunitou.

Nakonec zmíníme i snahy o tzv. „frictionless quantum computing„, což je pojem, kdy vývojáři mají přístup ke kvantovým zdrojům ve formě již hotových modulů a nemusejí se zabývat kvantovým hardware nebo kvantovým programováním.