Czym będzie komputer kwantowy? Spytałem o to szefa IBM, który rozwiał mit [WYWIAD]

O komputerach kwantowych od lat opowiada się tak, jakby były następnym etapem zwykłych komputerów. Najpierw mieliśmy wielkie maszyny w laboratoriach, potem komputery osobiste, laptopy, smartfony i wreszcie chmurę, a idąc tym tropem, gdzieś na końcu tej opowieści powinien czekać “kwantowy pecet”. Małe pudełko, może trochę droższe, może bardziej egzotyczne, ale jednak osobiste i wszechstronne. Problem w tym, że technologia kwantowa nie chce się w ten schemat zmieścić. Im dłużej czytam o kolejnych procesorach, kubitach, korekcji błędów i planach budowania maszyn odpornych na zakłócenia, tym większe mam wrażenie, że największy mit nie dotyczy samej mocy obliczeniowej. Dotyczy tego, do czego te maszyny mają w ogóle służyć. 

Czytaj też: Programista w czasach sztucznej inteligencji. Spytałem w IBM, kim musi być dziś junior

Komputer kwantowy nie będzie szybszym laptopem. Nie zastąpi procesora w komputerze gracza. Nie sprawi, że arkusz kalkulacyjny otworzy się z jakąś kwantową gracją. Będzie to raczej wyspecjalizowany element większego systemu obliczeniowego, do którego klasyczne komputery będą wysyłać bardzo konkretne zadania.

Komputer kwantowy nie jest “następnym pecetem”

O tym micie rozmawiałem ze Sławomirem Kumką, dyrektorem IBM Software Lab w Polsce i mam wrażenie, że jego odpowiedź powinna studzić zbyt proste wyobrażenia o tej technologii lepiej niż kolejne ogłoszenie rekordowej liczby kubitów.

Patrzenie na komputer kwantowy tak, jakby kiedyś miał być małym pudełkiem pod biurkiem, przynajmniej w najbliższym wieku nie ma sensu – mówi Sławomir Kumka z IBM.

Komputery kwantowe często są opisywane językiem przełomu, a przełom łatwo pomylić z powszechnością. Tymczasem dzisiejszy kierunek rozwoju nie sugeruje świata, w którym każdy będzie miał w domu własną maszynę kwantową. Dużo bardziej prawdopodobny jest model, w którym komputery kwantowe pozostaną wyspecjalizowanymi systemami działającymi w kontrolowanych warunkach, dostępnymi przez chmurę, centra badawcze albo infrastrukturę dużych organizacji.

Czytaj też: Programista dostał partnera. Spytałem u źródła, jak IBM Bob poprawia proces tworzenia oprogramowania

Zresztą taki model już dziś nie jest teoretyczny. IBM rozwija swoje środowisko kwantowe jako usługę dostępną przez chmurę, a aktualny plan firmy zakłada dojście do pierwszych przykładów przewagi kwantowej w 2026 roku i dużego, odpornego na błędy komputera kwantowego w 2029 roku. Nie jest to więc opowieść o miniaturyzacji w stylu pecetów. Jest to raczej budowanie nowej warstwy obliczeniowej, która ma współpracować z klasycznymi systemami, a nie je zastępować.

Podobny problem widać przy kolejnych rekordach IBM w obliczeniach kwantowych. Same liczby działają na wyobraźnię, ale nie tłumaczą jeszcze, czym komputer kwantowy ma być w praktyce. Praktyka jest zaś znacznie ciekawsza niż samo hasło “szybszy komputer”.

Kwanty są genialne, ale nie we wszystkim

Największym błędem w myśleniu o komputerach kwantowych jest traktowanie ich jak uniwersalnych obliczeniowych dopalaczy. Zupełnie jakby wystarczyło przepisać świat na kubity, a wszystko zacznie działać szybciej. Na takie coś nie powinniśmy jednak liczyć.

Quantum jest świetne w bardzo skomplikowanych, nielinearnych algorytmach czy zadaniach matematycznych wymagających przybliżeń. W tym jest genialne. Ale jest banalnie słabe w najprostszych rozwiązaniach – tłumaczy Sławomir Kumka.

Komputer kwantowy nie jest więc maszyną, która “ogólnie” jest lepsza od klasycznego komputera. Jest maszyną, która może być dużo lepsza w wybranych klasach problemów. W chemii obliczeniowej, symulacjach materiałów, optymalizacji, pewnych typach modelowania i kryptografii potrafi otworzyć drogę do wyników, których klasyczne systemy nie uzyskują w rozsądnym czasie. Jednak przy prostych operacjach klasyczny komputer nadal pozostaje sensowniejszym, a przede wszystkim tańszym i prostszym w użyciu narzędziem.

Dla mnie to najważniejsza korekta powszechnego pojęcia komputerów kwantowych, bo przyszłość tychże obliczeń nie polega na tym, że odpalimy na nich system operacyjny, przeglądarkę, edytor tekstu czy grę. Polega raczej na tym, że klasyczny system rozpozna zadanie, przygotuje je, wyśle do modułu kwantowego, odbierze wynik i użyje go dalej. Jest to więc zupełnie inna logika niż coś w stylu “nowy komputer zastępuje stary”.

Quantum będzie po prostu dostawką do aktualnej informatyki. Taki jest nasz kierunek i taka jest nasza strategia – mówi Kumka.

Słowo “dostawka” może brzmieć niepozornie, ale dobrze oddaje ogólny sens. Komputer kwantowy nie musi zastąpić klasycznego komputera, żeby być przełomowy. Wystarczy, że rozwiąże te problemy, dla których obecna informatyka jest zbyt wolna, zbyt kosztowna albo zbyt niedokładna. Jego rolę można więc sprowadzić do akceleratora pokroju dzisiejszych procesorów graficznych czy NPU, a przede wszystkim komputerów wyspecjalizowanych pod obliczenia AI.

Batch zamiast pulpitu. Tak może wyglądać praca z kwantami

Najciekawszy fragment rozmowy z Kumką dotyczył tego, jak IBM patrzy na praktyczne użycie komputerów kwantowych. Nie jako na maszynę, z którą człowiek bezpośrednio “pracuje” przy biurku, lecz jako na element przyjmujący dobrze przygotowane pakiety obliczeń.

Patrzymy na komputer kwantowy jako element przyjmujący batche informacyjne. Języki programowania, których używamy, jednym z nich jest Qiskit, produkują pewnego rodzaju batche, które są zlepkiem informacji służących do wykonania algorytmu i zwrócenia zestawu danych. – wyjaśnia Kumka.

Qiskit to zaś nie jakaś ciekawostka dla naukowców. Jest to otwarte środowisko IBM do pracy z obliczeniami kwantowymi, które pozwala uruchamiać zadania i korzystać z infrastruktury kwantowej bez fizycznego dostępu do samej maszyny. IBM rozwija też Qiskit Runtime oraz narzędzia mające wspierać dynamiczne obwody, benchmarki, error mitigation i przyszłe zastosowania przewagi kwantowej.

Ten model jest dużo przyziemniejszy niż wizja komputera kwantowego w domu, ale też znacznie bardziej sensowny. Użytkownik albo klasyczny system przygotowuje problem. Warstwa oprogramowania przekłada go na formę możliwą do wykonania przez maszynę kwantową, która wykonuje to, w czym ma przewagę nad typowymi komputerami, a nawet superkomputerami.

Duże jednostki, które stawiamy w środowisku, w którym operuje quantum, służą do interakcji z człowiekiem, przygotowywania batchy, wyświetlania informacji, dostarczania wyników, programowania oraz obserwowania przebiegu symulacji. Natomiast komputery kwantowe wysyłają tylko batche do obliczeń i maszyny kwantowe realizują tylko obliczenia – mówi Kumka.

Tego typu scenariusz sprawia od razu, że ten mit “małego pudełka pod biurkiem” ostatecznie rozjeżdża się z praktyką. Kwantowy system nie musi mieć monitora, klawiatury i użytkownika siedzącego przed nim jak przed pecetem. Może działać jak bardzo wyspecjalizowany silnik obliczeniowy, otoczony klasyczną infrastrukturą, chłodzeniem, kontrolą, oprogramowaniem, interfejsami i procedurami.

Fizyka ciągle ogranicza kwantowe komputery

Warto pamiętać, że komputery kwantowe są trudne nie dlatego, że ktoś jeszcze nie wymyślił ładnej obudowy. One są trudne, bo operują na stanach bardzo podatnych na zakłócenia. Kubity trzeba chronić przed szumem, temperaturą, błędami i dekoherencją. Przy wielu technologiach oznacza to ekstremalne warunki pracy, izolację i skomplikowaną infrastrukturę.

Nieprzypadkowo już przy starszych publicznych pokazach komputerów kwantowych firmy IBM świat zwracał tak dużą uwagę na potężną aparaturę chłodzącą i bardzo niskie temperatury pracy, a teksty o pierwszych komercyjnych systemach kwantowych opisywały nie “komputer na biurku”, lecz urządzenie wymagające starannie kontrolowanego środowiska. Opisywaliśmy to zresztą w 2019 roku przy pierwszym komercyjnym komputerze kwantowym IBM, gdzie kluczowa była izolacja od zakłóceń, wibracji i promieniowania elektromagnetycznego.

Ten fizyczny kontekst jest ważny, bo bez niego łatwo mówić o kubitach tak, jak o rdzeniach procesora. Więcej kubitów brzmi jak więcej mocy, ale ta sama liczba nie wystarcza. Liczy się jakość, błędy, czas koherencji, połączenia, korekcja błędów, architektura, oprogramowanie i możliwość uruchamiania użytecznych zadań. Dlatego IBM w ostatnich latach coraz mocniej mówi nie tylko o liczbie kubitów, ale też o przejściu w stronę systemów odpornych na błędy oraz o integracji sprzętu kwantowego z klasycznymi zasobami HPC. 

Tutaj wracamy do słów Kumki. Jeżeli komputer kwantowy ma być elementem większej infrastruktury, to nie ma potrzeby udawać, że musi przejść tę samą drogę co komputer osobisty. Być może jego siłą będzie właśnie to, że pozostanie czymś innym.

Quantum Safe. Kwanty straszą, zanim staną się powszechne

Jest jeszcze jeden powód, dla którego komputery kwantowe nie muszą trafić pod biurka, żeby zmienić informatykę. Wystarczy, że staną się wystarczająco mocne w rękach instytucji, państw albo wielkich organizacji. Wtedy problemem przestaje być “czy ja w ogóle będę miał komputer kwantowy?”, a zaczyna być “czy moje dzisiejsze zabezpieczenia przetrwają świat, w którym ktoś inny go ma?”.

W rozmowie z Kumką pojawił się wątek Quantum Safe, czyli kryptografii odpornej na przyszłe ataki kwantowe. IBM pracuje nad bibliotekami i rozwiązaniami kryptograficznymi przygotowanymi na ten scenariusz.

Mamy specjalne biblioteki kryptograficzne, które stworzyliśmy. Zespół Quantum pracuje nad tym – mówi Kumka.

Jest to wprawdzie temat, który może wydawać się odległy, ale już dziś ma praktyczne konsekwencje. IBM opisuje kryptografię bezpieczną w erze kwantowej jako sposób zabezpieczania danych, komunikacji i dostępu na czas, w którym komputery kwantowe będą mogły zagrozić części obecnie używanych metod kryptograficznych. Nie trzeba czekać, aż każdy będzie miał maszynę kwantową. Wystarczy ryzyko, że dane zaszyfrowane dziś mogą zostać przechwycone i odszyfrowane w przyszłości, kiedy odpowiednia moc stanie się dostępna.

Dla mnie to dobrze pokazuje, jak dziwnie działa ta technologia. Komputery kwantowe mogą nie być powszechne, mogą nie trafić do domów, mogą pozostać infrastrukturą laboratoryjno-chmurową, a mimo to wymuszać zmiany w całej informatyce. Nie przez to, że każdy będzie ich używał codziennie, tylko przez to, że sama ich możliwość zmienia założenia bezpieczeństwa.

IBM patrzy na kwanty jak na część większego systemu

Najnowsza roadmapa IBM mówi o pierwszych przykładach przewagi kwantowej w 2026 roku i o dużym, odpornym na błędy komputerze kwantowym w 2029 roku. W planach pojawił się między innymi Nighthawk, który ma obsługiwać obwody z 7500 bramkami w modułach po 120 kubitów, a w dalszej perspektywie systemy z korekcją błędów i logiką modularną. IBM planuje też inwestycję przekraczającą 10 mld dolarów w rozwój dużych komputerów kwantowych do 2029 roku. 

IBM nie buduje jednak tytułowego “kwantowego peceta”. Buduje raczej całą warstwę obliczeniową, a więc sprzęt, oprogramowanie, środowiska uruchomieniowe, korekcję błędów, narzędzia programistyczne, dostęp chmurowy i integrację z klasycznymi systemami. W tym sensie komputer kwantowy bardziej przypomina fragment infrastruktury badawczo-przemysłowej niż produkt konsumencki.

Podobnie było z wieloma innymi technologiami. Nie każda rewolucja trafia bezpośrednio w ręce typowego użytkownika. Czasem zmienia świat przez laboratoria, centra danych, przemysł farmaceutyczny, projektowanie materiałów, optymalizację, kryptografię i systemy, których zwykły człowiek nigdy nie zobaczy, choć korzysta z ich efektów codziennie. 

Komputer kwantowy nie musi zostać urządzeniem osobistym, żeby mieć ogromne znaczenie. Może pozostać maszyną, do której wysyła się zadania tak, jak dziś korzysta się z superkomputerów, wyspecjalizowanych akceleratorów albo zasobów chmurowych. Jednak nie możemy być tego w stu procentach pewni w czasach istnienia sprzętów pokroju NVIDIA DGX Spark, które są pewnym znakiem demokratyzacji sztucznej inteligencji. 

W świecie sprzętów kwantowych wiele może się bowiem zmienić na przestrzeni kolejnych lat.

Kwantowa przyszłość będzie mniej osobista, ale bardziej wpływowa

Po rozmowie w siedzibie IBM w jeszcze większym stopniu patrzę na komputery kwantowe nie jak na następców pecetów, a bardziej jak na wyspecjalizowane reaktory obliczeniowe. Nie w sensie energetycznym, oczywiście, ale funkcjonalnym. Wedle wizji IBM nie są to urządzenia, które mają z czasem stanąć obok monitora. Są to maszyny, do których trzeba przygotować problem, wysłać go, odebrać wynik i włączyć go z powrotem w klasyczny proces obliczeniowy na “normalnym pececie”.

Czytaj też: IBM chwali się rekordem w obliczeniach kwantowych. Jeszcze nigdy nie były tak długie i dokładne

Właśnie dlatego najciekawsze nie jest pytanie, kiedy kupimy komputer kwantowy do domu. Znacznie ważniejsze jest pytanie, kiedy zaczniemy korzystać z efektów jego pracy, nawet o tym nie wiedząc. Może przez lepsze materiały, nowe leki, sprawniejsze symulacje chemiczne, dokładniejsze modele, bezpieczniejszą kryptografię albo rozwiązania problemów optymalizacyjnych, których dziś nie opłaca się liczyć klasycznie.

Nie liczmy więc na “małe pudełko pod biurkiem”. Komputer kwantowy nie musi stać się osobisty, żeby być jednym z najważniejszych narzędzi następnych dekad. Jego miejsce może być daleko od użytkownika, bo w laboratorium, centrum danych albo chmurze, bo finalnie jeśli spełni choć część obietnic, skutki i tak dotrą do każdego z nas.