quantum-technology

---

title: "Kvantové technologie" description: "Uvědom si, že řešení smysluplných problémů bude vyžadovat kombinaci kvantových a klasických zdrojů."

Kvantové technologie IBM

Flotila kvantových počítačů IBM®, každý s alespoň 127 qubity, je největší na světě. Tyto kvantové počítače používají supravodivé transmonové Qubit, které nejsou jediným druhem Qubit, ale mají mnoho výhod. Kombinace našich světově špičkových kvantových počítačů s Qiskit umožňuje našim uživatelům zkoumat, jak může být kvantové výpočetnictví dnes užitečné ve světě. Průmysloví partneři a výzkumníci využívají technologii IBM Quantum® k prozkoumávání smysluplných výpočtů a realistických aplikací. Pojďme se podívat na šíři programů a služeb, které IBM Quantum nabízí partnerům.

Pokud jsi součástí instituce, která je členem IBM Quantum Network, nezapomeň se obrátit na skupinu kvantového výpočetnictví ve své instituci a zjistit, k jakým výhodám máš přístup.

Výukové cíle

Po absolvování tohoto modulu bys měl/a být schopen/schopna:

• Uvědomit si, že řešení smysluplných problémů bude vyžadovat kombinaci kvantových a klasických zdrojů.
• Identifikovat hardware, software a služby dostupné k řešení smysluplných problémů.
• Popsat, jak měřit výkon kvantového výpočetnictví, včetně měřítka, kvality a rychlosti.

IBM Quantum Platform

IBM Quantum Platform poskytuje sadu nástrojů pro kvantové výpočetnictví, která sdružuje všechny výzkumné a vývojové zdroje, jež uživatelé potřebují k výborné práci, na jednom místě. Uživatelé si mohou vytvořit účet a přihlásit se, aby získali přístup ke kvantovým počítačům IBM, prohlédli si podrobnosti o počítačích, sledovali pracovní zátěž a měli přístup k podpůrným materiálům v dokumentaci a studijních zdrojích.

• Domovská stránka slouží jako primární výchozí bod pro ekosystém produktů, kde uživatelé mohou získat své API klíče, zobrazit přehled svých instancí a informace o využití, prohlédnout si podrobnosti o nedávných úlohách a přistupovat k užitečným odkazům na jiná místa napříč platformou.
• Dokumentace agreguje dokumentaci Qiskit, dokumentaci služeb a referenční informace k API na jedno místo, organizované způsobem, který podporuje přirozené pracovní postupy uživatelů.
• Learning je domovem pro vzdělávací materiály včetně kurzů a výukových modulů a interaktivního Circuit Composer (již brzy). Tato kombinace grafického a kódového editoru umožňuje uživatelům prototypovat, simulovat a ladit Circuit vizuálně a poté je spouštět na kvantových počítačích IBM.

Qiskit Runtime

Qiskit Runtime je přenosná, bezpečná a kontejnerizovaná architektura, která spouští kvantové programy na klasické výpočetní jednotce těsně integrované s kvantovým procesorem. Qiskit Runtime umožňuje kvantovému počítači stát se součástí jakéhokoli výpočetního prostředí a urychlovat výpočty – podobně jako grafická procesorová jednotka (GPU) – a zajišťuje orchestraci úloh a přenos dat do kvantové procesorové jednotky, čímž maximalizuje efektivitu.

Qiskit a Qiskit Runtime zjednodušují rychlou orchestraci programů napříč výpočetními zdroji v cloudu. IBM buduje middleware pro kvantové výpočetnictví, aby maximalizoval výkon kvantových aplikací spuštěných napříč paralelizovanými, cloudovými, kvantovými a klasickými výpočetními zdroji. Tento middleware zahrnuje sadu nástrojů pro circuit knitting a naši architekturu quantum serverless.

Doplněk Qiskit pro circuit cutting umožňuje vývojářům rozdělit velké Circuit na menší Circuit vhodné pro současné kvantové počítače. Circuit knitting využívá klasické výpočty k převzetí části výpočetní zátěže kvantového Circuit, čímž překračuje to, čeho lze dosáhnout kterýmkoli z přístupů samostatně. Další nástroje pomáhají rekonstruovat Circuit pomocí klasických zdrojů a spojit dohromady konečné výsledky.

Quantum Serverless je sada nástrojů pro vícecloudovou orchestraci, která propojuje elastické klasické zdroje se službou IBM Qiskit Runtime. Quantum serverless umožňuje vývojářům soustředit se na kód, nikoli na zřizování zdrojů.

Supravodivé kvantové počítače IBM

Kvantové procesory IBM používají fyzický typ Qubit nazvaný supravodivý transmonový Qubit, který je vyroben ze supravodivých materiálů vzorovaných na křemíkovém substrátu. Jiné kvantové procesory mohou používat fotonické Qubit, vyrobené z jednotlivých fotonů světla, nebo Qubit s uvězněnými ionty, které ukládají informace v nabitých atomárních částicích. Aby byl umožněn tok elektrického proudu, musí být supravodivé Qubit udržovány při extrémně nízkých teplotách – blízkých absolutní nule.

IBM 127-qubitový procesor

Výkon kvantového výpočetnictví

Měření výkonu kvantového výpočetnictví

Univerzální bezchybový kvantový počítač je velkou výzvou kvantového výpočetnictví. Jde o zařízení, které dokáže správně provádět univerzální kvantové operace pomocí nespolehlivých komponent. Dnešní kvantové počítače nejsou bezchybové.

Pro porovnávání kvantových počítačů nestačí počet Qubit. Je třeba vzít v úvahu mnoho dalších podrobností, jako jsou chybovosti a způsob zapojení systému. Existují čtyři klíčové metriky pro měření výkonu kvantového výpočetnictví:

• Měřítko – Měřeno počtem Qubit, což udává množství informací, které lze v kvantovém počítači zakódovat.
• Kvalita – Měřena Quantum Volume, což udává kvalitu Circuit a věrnost jejich implementace v hardwaru.
• Rychlost – Měřena CLOPS (Circuit Layer Operations Per Second), což udává, kolik Circuit lze na hardwaru spustit za daný čas.
• Věrnost vrstvy – Měřena EPLG (Errors Per Layered Gate), což popisuje, jak dochází k chybám při provádění operací na Qubit.

Podrobnější popis některých výše uvedených metrik najdeš v tomto článku na blogu IBM Research. Každá fáze přijímání kvantového výpočetnictví v průmyslu je poháněna rostoucím Quantum Volume, které se vypočítává pomocí různých parametrů, jako je šířka Circuit, konektivita Qubit a chybovosti.

Technická definice Quantum Volume je bez rovnic obtížně srozumitelná. Dario Gil, ředitel výzkumu v IBM, vysvětluje:

Pro lepší pochopení Quantum Volume zvaž následující zajímavou analogii. Níže uvedená část se zabývá časem, prostorem a chybovostí v kontextu prohlídky New Yorku.

Procházka státy Quantum Volume

Quantum Volume popisuje největší kvantový výpočetní prostor, který může kvantový počítač prozkoumat, přičemž objem kvantového prostoru je 2^N, kde N je počet Qubit, tedy obvyklá dimenze stavového prostoru. Slovo „prostor" zde záměrně používáme, protože jakmile zmíníme prostor, je přirozené uvažovat o objemu.

Faktorem omezujícím toto prozkoumávání je chybovost. Chybovost lze přirovnat k množství času, který máme na prozkoumání prostoru. Více chyb znamená méně času na prozkoumání. Čím větší výpočetní prostor máme, tím více času je potřeba k jeho úplnému prozkoumání, a proto potřebujeme kvantový počítač s nižší chybovostí.

Představ si turistu prozkoumávajícího New York. Turista chce prozkoumat celé město, tedy chce turistický objem ve velikosti NYC. Pokud turistovi dáme jen jeden den, není možné prozkoumat takový prostor, takže turista nedosáhne požadovaného turistického objemu. Pokud však turistovi dáme tři dny, pravděpodobně zvládne navštívit všechna hlavní místa a dosáhnout potřebného turistického objemu NYC.

Co když turistovi dáme více času, ale prostor stále omezíme na NYC? Jinými slovy, co když zachováme počet Qubit stejný, ale snížíme chybovost? Pro turistu to nepřináší žádný přínos, protože město již prozkoumal a jen opakuje stejná místa. Turistický objem zůstává stejný. Místo toho je při větším množství času chytřejší rozšířit počet turistických míst k návštěvě.

Nebo předpokládejme, že čas zůstane tři dny, ale turista se rozhodne pokusit prozkoumat celý NYC a Long Island. Jinými slovy, co když zachováme chybovost stejnou, ale přidáme více Qubit? Turistický objem opět zůstává na úrovni NYC, protože turista nemůže prozkoumat větší prostor ve vymezeném čase. Být lepším turistou a dosáhnout většího turistického objemu tedy vyžaduje současné zvýšení turistického prostoru i množství času, který má turista na prozkoumání.

Úplně stejným způsobem budování lepších kvantových počítačů dosahujících většího Quantum Volume vyžaduje současné zvýšení kvantového výpočetního prostoru (počtu Qubit) při snižování chybovosti (zvyšování doby, po kterou může algoritmus běžet). Například díky pokrokům v architekturách s laditelným propojením IBM zdvojnásobilo Quantum Volume dvakrát za jediný rok!

Jak se však kvantové výpočetnictví vyvíjí, začínáme se více zajímat o užitečnou práci, kterou naše kvantové počítače zvládnou v rozumném čase. Pokud měříme měřítko počtem Qubit a kvalitu pomocí Quantum Volume, pak rychlost kvantového zpracování je měřítkem užitečné práce, kterou tyto Qubit zvládnou v rozumném čase. Definujeme ji jako počet primitivních Circuit, které lze zpracovat za sekundu. Je podobná FLOPS v klasickém výpočetnictví – počtu operací s plovoucí desetinnou čárkou za sekundu. Zlepšení rychlosti QPU je klíčem k praktickému kvantovému výpočetnictví. Stejně jako klasické počítačové programování vyžaduje kvantové programování spouštění mnoha Circuit. Rozumná rychlost QPU umožní uživatelům začlenit kvantové výpočetnictví jako součást jejich pracovních postupů.

Ověř si své znalosti

Přečti si níže uvedenou otázku, zamysli se nad svou odpovědí a poté klikni na trojúhelník pro zobrazení řešení.

Pravda nebo lež: Quantum Volume označuje velikost kryogenních chladniček, v nichž jsou umístěny kvantové počítače IBM.

Lež. Quantum Volume je jediné číslo, které má shrnout výkonnost dnešních kvantových počítačů.

Co nás čeká v kvantovém výpočetnictví

Dnešní kvantové počítače – a ty, které jsou očekávány v dohledné budoucnosti – jsou hlučné (noisy). To znamená, že jsou citlivé na rušení z prostředí, jež může ovlivnit věrnost výsledků. Podobně jako se klasické výpočetnictví vyvíjelo modulárním škálováním procesorů, efektivní výpočty a paralelizací, vidíme, jak se kvantové výpočetnictví vyvíjí, aby dosáhlo svého plného potenciálu. Zatímco pracujeme na plně odolných kvantových počítačích, chceme řešit užitečné problémy s hardwarem a softwarem, které máme k dispozici dnes.

Kvantová utilita

IBM Quantum a Kalifornská univerzita v Berkeley předložily důkazy, že kvantové počítače mohou přinést hodnotu dříve, než se očekávalo, díky pokrokům v hardwaru IBM Quantum a metodám zmírňování chyb. Nejen jako pouhý důkaz konceptu jsme dosáhli výsledků dostatečně přesných k tomu, aby byly užitečné. Model výpočtu, který jsme s touto prací prozkoumali, je klíčovou součástí mnoha algoritmů navržených pro krátkodobé kvantové počítače.

Zpětná vazba mezi kvantovým a klasickým přístupem je klíčem k rozvoji kvantových technologií. Se zaměřením na kvantovou utilitu používáme kvantový přístup k prozkoumávání složitých problémů, které jsou výzvou pro stávající rámce vysoce výkonného výpočetnictví, a poté výsledky ověřujeme klasicky. Toto neustálé střídání – kdy kvantový počítač spouští složitý Circuit a klasické počítače ověřují kvantové výsledky – zlepší obě výpočetní oblasti a poskytne uživatelům důvěru v schopnosti krátkodobých kvantových počítačů.

Volitelné čtení – klikni na trojúhelník a přečti si více o experimentu

• V tomto experimentu jsme použili všech 127 Qubitů našeho procesoru IBM Quantum Eagle k simulaci měnícího se chování systému, který se přirozeně mapuje na kvantový počítač – tzv. kvantový Isingův model. Isingovy modely jsou zjednodušením přírody, která reprezentují vzájemně interagující atomy jako mřížku vzájemně interagujících kvantových dvoustavových systémů v energetickém poli. Tyto systémy se velmi podobají dvoustavovým Qubitům, z nichž se skládají naše kvantové počítače, což z nich dělá dobré kandidáty pro testování schopností našich metod. Použili jsme ZNE k přesnému výpočtu vlastnosti systému zvané očekávaná hodnota – v podstatě váženého průměru možných výsledků Circuitu.

• Zároveň se tým z Berkeley pokusil simulovat stejný systém metodami tensorových sítí za pomoci výkonných superpočítačů umístěných v Národním centru pro výzkum energetiky (NERSC) v Lawrence Berkeley National Lab a na Purdue University.

• Kvantové metody se nadále shodovaly s přesnými metodami. Nakonec však klasické aproximační metody začaly selhávat, jak se obtížnost stupňovala.

• Nakonec jsme požádali oba počítače, aby prováděly výpočty nad rámec toho, co bylo možné přesně vypočítat – a kvantový počítač vrátil odpověď, o níž jsme byli přesvědčenější, že je správná. A přestože nemůžeme dokázat, zda byla tato odpověď skutečně správná, Eagle's úspěch v předchozích bězích experimentu nám dal důvěru, že tomu tak bylo.

Oprava chyb

Oprava chyb je klíčovou oblastí výzkumu po celá desetiletí. Po většinu té doby však byly teoretické techniky opravy chyb nepraktické pro implementaci na skutečných kvantových počítačích, nejčastěji kvůli velmi velkému počtu Qubitů, které jsou potřeba. Mnoho odborníků skutečně předpovídá, že praktické kvantové výpočetnictví odolné vůči poruchám (FTQC) bude vyžadovat miliony fyzických Qubitů. V nedávném článku publikovaném na obálce časopisu Nature však výzkumníci z IBM představili nový kód, který nazýváme Gross code, jenž toto omezení překonává.

Článek High-threshold and low-overhead fault-tolerant quantum memory popisuje nový kód pro opravu kvantových chyb, který je přibližně 10krát efektivnější než předchozí metody při ochraně citlivých kvantových dat před hromaděním chyb. Pro představu, o kolik blíže jsme nyní k začátku éry opravy chyb – s použitím Gross code lze chránit 12 logických Qubitů přibližně milion cyklů kontrol chyb s využitím 288 Qubitů.

Nečeká se, že oprava chyb náhle nahradí zmírňování a potlačování chyb. Spíše v průběhu příštích několika let budou zmírňování a potlačování chyb nadále hrát klíčovou roli, a to spolu s rostoucím počtem Qubitů s opravou chyb.

Plán rozvoje IBM Quantum

Nyní jsme pevně v éře kvantové utility. To znamená, že kvantové počítače jsou lepší v kvantovém výpočetnictví než klasické počítače a naši uživatelé je mohou využívat k objevování nových algoritmů a hledání kvantových výhod. Náš plán popisuje naše historické milníky a plány k dosažení krátkodobé kvantové výhody do roku 2026.

Do roku 2029 dodáme Starling – velkoplošný kvantový počítač odolný vůči poruchám, schopný spouštět kvantové Circuity složené ze 100 milionů kvantových Gate na 200 logických Qubitech. Tento systém právě budujeme v naší historické továrně v Poughkeepsie, New York. Více o našem pokroku se dozvíš v Průvodci plánem (PDF).

Více o plánu rozvoje IBM Quantum si přečti zde.

Výzva 5k

IBM spolupracuje s komunitou kvantového výzkumu na hledání potenciálních případů užití, které by mohly těžit z kvantového výpočetnictví. Poskytujeme stále výkonnější nástroje, aby uživatelé mohli zkoumat naléhavé problémy pomocí kvanta. V roce 2024 jsme vydali nástroj schopný vypočítat nestranné pozorovatelné hodnoty dlouhých, vysoce kvalitních Circuitů. Hledání toho, co lze udělat s touto kombinací 100+ Qubitů a hlubokých Circuitů, se kdysi nazývalo „výzva 100x100". Přesný počet Qubitů a hloubka v každém z nich je však méně důležitý než využití síly kombinace. Představ si, co je možné s 5 000 kvantovými Circuity v jediném výpočtu. Uživatelé mohou spouštět kvantové Circuity se složitostí a dobou běhu přesahující schopnosti nejlepších klasických počítačů dneška. Těšíme se, co kvantová komunita postaví, aby nám pomohla využít sílu kvanta a řešit důležité problémy.

Kvantové superpočítače zaměřené na kvantum

Klíčem k řešení problémů ve velkém měřítku je překročit rámec jednočipových procesorů. V roce 2024 jsme představili Crossbill – první jednoprocesorový systém vyrobený z více čipů. To jsou první kroky k zahájení nové éry škálování, jež poskytuje jasnou cestu ke 100 000 Qubitům a více díky kvantově zaměřenému superpočítání. Jedná se o modulární výpočetní architekturu, která umožňuje škálování. Kombinuje kvantovou komunikaci a výpočty ke zvýšení výpočetní kapacity, přičemž využívá hybridní cloudový middleware k bezproblémové integraci kvantových a klasických pracovních postupů.

Řešení nejsložitějších světových problémů bude vyžadovat kombinaci klasických a kvantových zdrojů. Navíc bude záviset na pokračující spolupráci mezi průmyslem a akademickou sférou.

Klíčová sdělení

Zapamatuj si tato klíčová sdělení:

• Dnešní kvantové počítače nejsou odolné vůči poruchám.
• Quantum Volume je holistická míra toho, jak dobrý kvantový počítač je. Čím vyšší Quantum Volume, tím lepší. Hovořit pouze o počtu Qubitů je zavádějící.
• Pro měření výkonnosti kvantových počítačů existují čtyři klíčové metriky: škála, kvalita, rychlost a vrstvová věrnost.
• Společný experiment IBM Quantum a UC Berkeley předložil důkazy, že kvantové počítače IBM poskytují spolehlivé a přesné výsledky pro náročné simulační problémy při škále 127 Qubitů.
• Kvantově zaměřené superpočítání znamená zacházet s kvantem jako s jednou součástí širšího paradigmatu HPC, kde klasické a kvantové výpočty fungují jako jedna výpočetní jednotka.