Перспективи та напрямки розвитку

До цього моменту ми вивчили мотивацію для спільного використання високопродуктивних обчислень (HPC) і квантових обчислень для розв'язання наукових задач. Ми визначили класичні та квантові обчислювальні ресурси, включаючи CPU, GPU та QPU, і обговорили методи їх масштабування та управління — вертикальне та горизонтальне масштабування, планування та управління навантаженням. Крім того, ми дослідили моделі програмування як для QPU (квантові схеми та примітиви, як-от Sampler і Estimator), так і для класичних комп'ютерів, включаючи практику паралельного програмування з MPI — потужним інструментом квантово-класичних гетерогенних обчислень. Нарешті, ми вивчили та практикували просунуті квантові алгоритми на основі вибірки, такі як квантова діагоналізація на основі вибірки (SQD) і квантова діагоналізація Крилова на основі вибірки (SKQD). Ці алгоритми використовують метод підпросторів для точної оцінки енергії основного стану молекул і матеріалів шляхом підготовки та вибірки квантових станів, що визначають підпростір для класичної діагоналізації, — поєднання різних моделей програмування на наборі гетерогенних ресурсів. Маючи ці базові концепції квантових і класичних суперобчислень, ми вже не говоримо про заміну одних іншими, а про створення потужної інтегрованої системи, що працює в синергії, — поєднання, яке обіцяє принести зорю квантової переваги.

Чому саме зараз?

Спільнота вже пройшла рубіж «квантової корисності» — коли квантові комп'ютери вперше довели свою корисність як наукові інструменти, здатні виконувати обчислення, що виходять за рамки класичного моделювання грубою силою. Ця ера корисності розпочалась із нині відомої статті про корисність, опублікованої на обкладинці Nature у 2023 році, і включала десятки публікацій партнерів, клієнтів та дослідників IBM Quantum®. Тепер фокус змістився до наступного ключового рубежу: досягнення квантової переваги. Тривалий час термін «квантова перевага» страждав від розмитих визначень. Ця стаття пропонує конкретне визначення, яке ми будемо тут використовувати. Зокрема, квантова перевага означає виконання задачі обробки інформації на квантовому залізі, що задовольняє двом ключовим критеріям:

i) Правильність результату може бути строго підтверджена, та

ii) Воно виконується з квантовим відривом, що демонстровано забезпечує вищу ефективність, рентабельність або точність, ніж те, що досяжно виключно класичними обчисленнями.

Очікується, що квантова перевага почне з'являтися до кінця 2026 року і що для цього знадобиться спільне використання квантових та HPC-ресурсів. Цей урок окреслює основне бачення цієї нової парадигми, деталізує ключові ідеї попереду і пропонує перспективний погляд на майбутнє, укорінений у верифікованому та незалежному від платформи фреймворку для демонстрації та реалізації справжньої квантової переваги.

5.1 Загальна картина

Вперше в історії обчислень ми стаємо свідками значного переломного моменту — ери квантово-центричних суперобчислень (QCSC), нової парадигми, що тісно інтегрує квантові процесорні блоки (QPU) з класичними суперкомп'ютерами. Мета — не замінити класичні системи квантовими, а довести, що ця гетерогенна архітектура, де «квантове плюс класичне» переважає над виключно класичним, є найпотужнішим шляхом вперед. У цій моделі QPU розглядаються як спеціалізовані співпроцесори, що працюють поруч із CPU та GPU для вирішення обчислювальних задач, непосильних для класичних комп'ютерів.

Повний потенціал цієї нової архітектури може бути реалізований лише шляхом надання цих потужних інструментів якомога більшій кількості користувачів. Це бачення вже набуває форм через розгортання квантових систем у відомих центрах HPC та розробку програмного забезпечення, наприклад квантових плагінів для Slurm, що спрощують їхню інтеграцію в існуючі класичні робочі процеси. Роблячи ці гетерогенні системи більш доступними для широкої дослідницької спільноти, ми створюємо середовище, необхідне для інновацій та відкриттів.

Саме ця стратегія поєднання інтегрованих технологій із широкою базою користувачів, на нашу думку, дозволить спільноті в найближчому майбутньому досягти квантової переваги. Квантова перевага — не одноразовий, окремий рубіж, а процес — послідовність дедалі більш переконливих демонстрацій, які перевірятимуться, відтворюватимуться і оскаржуватимуться спільнотою доти, поки не буде досягнуто наукового консенсусу. Таким є шлях до демонстрації до кінця 2026 року перших достовірних та верифікованих прикладів, де цей новий спосіб обчислень розв'язує практичні задачі ефективніше, рентабельніше або точніше, ніж це досяжно виключно класичними обчисленнями.

Ключові ідеї

Для реалізації цього бачення необхідно вирішити кілька критичних питань і розвинути ключові ідеї.

• Оптимальний розподіл навантаження: на програмному рівні виклик полягає в управлінні складними гібридними робочими процесами. Для безперебійного виконання завдань на квантових і класичних ресурсах потрібні складні інструменти. Це включає квантово-HPC-проміжне програмне забезпечення та інфраструктуру виконання, розроблену для управління плануванням завдань, ресурсами та потоками даних у цьому гетерогенному середовищі. Крім того, розробка методів ефективного розпаралелювання квантових схем або їх розбиття на менші, керовані частини є ключовою для максимального використання можливостей сучасного квантового заліза.

• Відмовостійкість на системному рівні: найкардинальніше рішення для захисту квантової інформації від шуму — відмовостійкі квантові обчислення (FTQC), де інформація кодується в надійні «логічні кубіти». Хоча нові квантові коди виправлення помилок із малою густиною перевірок парності (qLDPC) пропонують шлях до зменшення колосальних ресурсних витрат, впровадження повної відмовостійкості у найближчій перспективі ще не очікується. Водночас пом'якшення помилок використовує класичну постобробку для зменшення або усунення зміщення в обчисленнях, спричиненого шумом, що також є критичним елементом у досягненні відмовостійких квантових систем на системному рівні. Потужні методи пом'якшення помилок вже надаються як сервіс, що демонструє переваги архітектури QCSC. Наприклад:

  • Tensor Network Error Mitigation (TEM) від Algorithmiq управляє шумом у програмній постобробці, використовуючи класичні HPC-ресурси для розширення можливостей поточних QPU.
  • Quantum Error Suppression and Error Mitigation (QESEM) від Qedma поєднує придушення помилок на апаратному рівні з їх пом'якшенням для підвищення надійності квантових обчислень у масштабі.

• Демократизація доступу: широкий доступ до цих потужних гібридних систем є ключем до прискорення інновацій. Це вже реалізується через фізичне розгортання квантових систем у центрах HPC та випуск плагінів для Slurm для спрощення інтеграції. Для оптимізації цієї інтеграції обидві компанії випустили плагіни для Slurm, щоб квантовими навантаженнями можна було керувати за допомогою стандартних HPC-планувальників. Більш того, комплексні програмні стеки, як Qiskit, надають хмарне середовище виконання для запуску квантових схем із низькою затримкою, оркеструють складні гібридні завдання та надають інструменти для компіляції, оптимізації та пом'якшення помилок. Відкритий доступ до квантового заліза та пакети розробки з відкритим кодом, безумовно, відіграватимуть тут ключову роль.

Перспективи IBM

Дорожня карта розвитку IBM Quantum наочно демонструє цю загальну картину та ці ключові ідеї.

Дорожня карта заліза IBM Quantum орієнтована на збільшення кількості кубітів та зв'язності. Серія Nighthawk (2025–2028) використовує нову архітектуру квадратної решітки для покращення зв'язності, тоді як процесор Loon (2025) впроваджує «c-з'єднувачі» для нелокальної зв'язності кубітів, що є критичним для відмовостійких квантових обчислень (FTQC). Ця дорожня карта кульмінує у системах IBM Quantum Starling (2029) і Blue Jay (2033+), розроблених для великомасштабних відмовостійких обчислень із мільйонами гейтів і тисячами логічних кубітів.

Стратегія програмного забезпечення та проміжного ПЗ будується навколо чотирьох ключових цілей: точне виконання, оркестрування навантажень, відкриття нових алгоритмів та їхнє застосування до конкретних задач. Дорожня карта включає постійні покращення, як-от утилітарні динамічні схеми (2025) та нові інструменти профілювання (2026) для забезпечення ефективного виконання. Для оркестрування навантажень C-API (2025) та майбутні прискорювачі робочих процесів (2027) інтегруватимуть квантові та класичні HPC. Крім того, IBM® представить утилітарні інструменти відображення (2026) та нові бібліотеки схем (2029) для полегшення відкриття та застосування нових алгоритмів.

Підсумок

Ми дослідили загальну картину та ключові ідеї, що стоять за метою QCSC, і ознайомились із дорожньою картою IBM щодо розвитку та інновацій у квантових обчисленнях. Як ми побачили, цей шлях — марафон, а не спринт. Хоча IBM прагне надавати дедалі потужніші квантові комп'ютери, наш прогрес — лише частина рівняння. Вкрай важливо, щоб квантова спільнота продовжувала розробляти нові алгоритми, прокладаючи шлях до застосувань, які справді зроблять квантові обчислення корисними для світу.

Для досягнення цього ми маємо працювати разом. Це означає встановлення стандартизованих тестових задач за участі класичних експертів для забезпечення актуальності та справедливості. Це також вимагає публікації детальних методологій та наборів даних для забезпечення відтворюваності й підтримки відкритих таблиць лідерів для відстеження нашого колективного прогресу.

Ніколи ще не було більш захоплюючого часу, щоб бути частиною цієї спільноти. Прийнявши ці найкращі практики та продовжуючи дослідження, ми можемо разом реалізувати повний потенціал квантової переваги.