Twoje kolejne wyzwanie projektowe może być kwantowe

Rok 2030. Twoje zaawansowane oprogramowanie EDA, wzmocnione technologią kwantową, właśnie zasymulowało nowy materiał do baterii na poziomie molekularnym – zadanie, które kiedyś zajmowało miesiące, teraz wykonane w pół godziny. Po drugiej stronie pokoju, Twój kolega korzysta z hybrydowego systemu kwantowo-klasycznego, aby zoptymalizować skomplikowany układ RF, jednocześnie eksplorując miliony możliwych konfiguracji. Tymczasem ekspert od kryptografii w Twoim zespole implementuje najnowsze protokoły odporne na ataki kwantowe, aby zabezpieczyć wasze projekty, ponieważ tradycyjne szyfrowanie już nie zapewnia znaczącej ochrony.

To nie jest science fiction. To przyszłość inżynierii elektronicznej, która nadchodzi szybciej, niż wielu zdaje sobie sprawę. Obliczenia kwantowe są na progu transformacji sposobu, w jaki projektujemy, symulujemy i chronimy systemy elektroniczne. Dla inżynierów oznacza to przygotowanie się na falę zakłóceń i możliwości.

W uznaniu przyspieszającego wpływu technologii kwantowych, Organizacja Narodów Zjednoczonych ogłosiła rok 2025 Międzynarodowym Rokiem Nauki i Technologii Kwantowej. Inicjatywa ta będzie promować rosnącą rolę kwantów w różnych dyscyplinach, zachęcając do publicznego i zawodowego zaangażowania w dziedzinę.

Zrozumienie Kwantowego Skoku

Aby zrozumieć, dlaczego kwantowość ma znaczenie, warto porównać ją z klasycznym przetwarzaniem danych. Klasyczne komputery używają bitów, które mogą przyjąć wartość 0 lub 1. Komputery kwantowe używają kubitów, które mogą być jednocześnie 0 i 1 – właściwość ta nazywana jest superpozycją. Gdy kubity stają się splątane, ich stany są ze sobą powiązane, co pozwala na równoczesne obliczenia na wielu możliwościach. Te cechy sprawiają, że maszyny kwantowe są idealne do rozwiązywania problemów, które przytłaczają klasyczne procesory.

W sercu tych maszyn kwantowych znajduje się jednostka przetwarzająca kwantowa (QPU), odpowiednik klasycznego CPU. QPU zawiera kubity oraz elektronikę sterującą i klasyczny sprzęt potrzebny do ich zarządzania. Razem tworzą precyzyjny system zdolny do wykonywania instrukcji kwantowych, jednocześnie filtrując zewnętrzne zakłócenia, które mogą zakłócić delikatne stany kubitów.

Dlaczego kwantowość ma znaczenie dla elektroniki

Obliczenia kwantowe już zaczynają wpływać na świat elektroniki. Wyróżnia się trzy praktyczne obszary:

• Odkrywanie materiałów: Symulowanie interakcji molekularnych za pomocą klasycznych narzędzi jest czasochłonne i często niedokładne. Systemy kwantowe mogą modelować te zachowania na poziomie kwantowym, przyspieszając rozwój półprzewodników, baterii i innych zaawansowanych materiałów.
• Optymalizacja projektowania: Komputery kwantowe doskonale radzą sobie z eksploracją ogromnych przestrzeni rozwiązań. Ta zdolność otwiera nowe granice w układzie analogowych obwodów, projektowaniu komórek pamięci i innych dziedzinach projektowania.
• Bezpieczeństwo i odporność: W miarę zwiększania mocy maszyn kwantowych, grożą one złamaniem dzisiejszych szyfrów. Jednak wspierają również tworzenie algorytmów odpornych na ataki kwantowe, z których niektóre są już dzisiaj wbudowane w sprzęt.

Wyścig ku gotowości

IBM, Google i D-Wave dokonały szybkich postępów w technologii kwantowej w ciągu ostatnich dwóch lat, z konkurencyjnymi planami rozwoju, śmiałymi celami badawczymi i rosnącym ekosystemem partnerów oraz klientów testujących rozwiązania kwantowe. Te firmy kształtują stosy oprogramowania, modele dostępu do chmury i współprace badawcze, które zdefiniują wczesne zastosowania kwantowe. To zbieżenie innowacji, zaangażowania i współpracy pomaga uczynić obliczenia kwantowe bardziej istotnymi dla inżynierów i naukowców pracujących w "prawdziwym świecie", a nie tylko dla tych pracujących w laboratoriach kwantowych. 

Procesor kwantowy R2 IBM Heron, ogłoszony pod koniec 2024 roku, posiada 156 kwantowych kubitów z regulowanym sprzężeniem i działa do 50 razy szybciej niż jego poprzednik, oryginalny Heron, wydany pod koniec 2023 roku. W połączeniu z otwartoźródłowymi narzędziami oprogramowania Qiskit, procesor R2 Heron może wykonać 5 000 operacji na bramkach dwukubitowych, co jest dwukrotnie lepszym wynikiem niż poprzedni rekord (stan na koniec 2024 roku). Według badaczy IBM, ta wydajność przygotowuje go do skomplikowanych obliczeń kwantowych. 

Google’s Willow QPU, ogłoszony w grudniu 2024 roku, zawiera 105 superprzewodzących kubitów transmon i zademonstrował kamień milowy w korekcji błędów kwantowych: wskaźniki błędów maleją wraz z dodawaniem większej liczby kubitów. Willow niedawno ukończył skomplikowany benchmark w mniej niż pięć minut, zadanie, które klasyczne superkomputery obliczałyby przez niewyobrażalne 10 septilionów lat!

W przeciwieństwie do większości konkurentów, D-Wave obrało zasadniczo inną ścieżkę w dziedzinie komputerów kwantowych, koncentrując się na kwantowym wyżarzaniu – technice zaprojektowanej specjalnie do rozwiązywania problemów optymalizacyjnych. Podczas gdy komputery kwantowe oparte na bramkach (takie jak te od IBM i Google) mają na celu stanie się systemami ogólnego przeznaczenia, zdolnymi do uruchamiania szerokiej gamy algorytmów, kwantowe wyżarzacze, takie jak te od D-Wave, są wysoko wyspecjalizowane. Doskonale radzą sobie z znajdowaniem optymalnych rozwiązań w obszernych i złożonych przestrzeniach poszukiwań, co czyni je idealnymi dla logistyki, planowania, uczenia maszynowego i modelowania materiałów.

W marcu 2025 roku, D-Wave ogłosiło, że ich system Advantage2, zbudowany z ponad 7000 nadprzewodzących kubitów i łącznością kubitów na poziomie 20-drożnym, osiągnął znaczący kamień milowy. Udało mu się symulować skomplikowany problem z dziedziny nauki o materiałach w zaledwie 20 minut. Tradycyjny superkomputer potrzebowałby szacunkowo miliona lat, aby wykonać tę pracę. Chociaż nie jest to tak dramatyczne jak dominacja w benchmarkach, jaką deklarują systemy oparte na bramkach, to osiągnięcie podkreśla unikalną siłę D-Wave w stosowaniu narzędzi kwantowych do rozwiązywania realnych problemów optymalizacyjnych w przemyśle.

Chińscy naukowcy ogłosili Zuchongzhi 3.0, procesor kwantowy, który działa z prędkością biliona razy większą niż dzisiejsze najlepsze superkomputery. Z 105 superprzewodzącymi kubitami, układ pokazuje, że pomimo amerykańskich sankcji handlowych, Chiny są konkurentem w wyścigu o technologię komputerów kwantowych.

Poza tymi przyciągającymi uwagę układami i maszynami, nowa fala rozwoju pokazuje dynamikę tej dziedziny. Naukowcy po raz pierwszy połączyli ze sobą wiele procesorów kwantowych na początku 2025 roku, co jest kluczowym krokiem w kierunku skalowalności. Mniej więcej w tym samym czasie, system kwantowy z 56 kubitami wygenerował "certyfikowaną losowość," tworząc liczby nieprzewidywalne w sposób udowodniony. Ten skok może zrewolucjonizować szyfrowanie, symulacje i bezpieczne komunikacje.

EDA otrzymuje wsparcie kwantowe

Projektowanie wysokowydajnych obwodów jest jednym z najbardziej złożonych zadań w inżynierii elektronicznej. Klasyczne narzędzia EDA często polegają na brutalnej symulacji i sekwencyjnym testowaniu, co może zająć dni, tygodnie, a nawet miesiące. Jak przewidziano w naszym wstępnym scenariuszu, narzędzia EDA wzmocnione przez kwantowe obiecują znaczne przyspieszenie tego procesu poprzez jednoczesną ocenę tysięcy lub milionów możliwych konfiguracji. Ta kwantowa przewaga jest szczególnie przekonująca w problemach takich jak optymalizacja obwodów analogowych, trasowanie układów i dystrybucja mocy, gdzie przestrzeń rozwiązań szybko staje się zbyt obszerna, aby klasyczne narzędzia mogły ją wyczerpująco zbadać.

Tymczasem firmy takie jak NVIDIA i Keysight współpracują z Google Quantum AI w celu rozwoju symulacji kwantowych obwodów na dużą skalę i opracowywania nowych technik modelowania dla komponentów nadprzewodzących. Architektury hybrydowe – łączące klasyczne przepływy projektowe z akceleratorami kwantowymi – już dostarczają mierzalnych ulepszeń w wybranych zadaniach, oznaczając przejście od eksperymentalnej nowości do stosowanego narzędzia inżynierskiego.

Rozpoczynanie pracy z narzędziami kwantowymi

Na szczęście, aby zacząć, nie potrzebujesz laboratorium kwantowego. Platformy dostępne w chmurze pozwalają inżynierom testować techniki optymalizacji kwantowej i inspirowane kwantowo bez specjalizowanej infrastruktury.IBM Qiskit Metal integruje się ze znanymi narzędziami EDA i symulacyjnymi, umożliwiając inżynierom projektowanie sprzętu kwantowego w Pythonie. Amazon Braket i Microsoft Azure Quantum oferują dostęp do chmury do procesorów kwantowych, w tym systemów od IonQ, Rigetti i D-Wave.

Stawianie czoła wyzwaniom rzeczywistego świata

Mimo obietnic, dzisiejsze maszyny kwantowe pozostają delikatne i wymagające dużych zasobów. Systemy z kubitami nadprzewodzącymi zwykle wymagają chłodziarek rozcieńczalnikowych i sprzętu ekranującego, aby utrzymać temperatury kriogeniczne bliskie zera absolutnego – warunki te są bardzo wrażliwe na hałas środowiskowy. Nawet procesory małej skali wymagają stabilnych środowisk termicznych, precyzyjnej kontroli mikrofalowej i obszernej kalibracji.

Te fizyczne i inżynieryjne ograniczenia limitują dostępność sprzętu kwantowego do bezpośredniego użytku. Ale jednocześnie napędzają innowacje w miniaturyzacji, krioelektronice i projektowaniu modułowym. Inżynierowie rozwijają obwody kriogeniczne CMOS, eksperymentują z nadprzewodzącymi połączeniami i udoskonalają interfejsy łączące dziedziny kwantowe i klasyczne. Postęp jest, ale solidne, skalowalne systemy nadal stoją przed ogromnymi wyzwaniami inżynieryjnymi związanymi z mocą, kosztami i integracją systemu.

Dokąd zmierza inżynieria

Era kwantowa nie zastąpi klasycznej elektroniki. Będzie ją uzupełniać i przyspieszać. Dla inżynierów oznacza to nowe narzędzia do rozwiązywania problemów, które kiedyś uważano za niepraktyczne lub niemożliwe. W miarę ewolucji tych możliwości, ci, którzy badają je teraz, zdobędą techniczną biegłość potrzebną do kształtowania sposobu, w jaki możliwości kwantowe będą inżynierowane w systemach, które zdefiniują na nowo sposób, w jaki projektujemy, symulujemy i zabezpieczamy elektronikę w erze kwantowej.