ما الحوسبة الفائقة التي تركِّز على الكم؟

الحاسوب الفائق المرتكز على الحوسبة الكمية هو جيل جديد يربط بين حاسوب الحوسبة الكمية والحاسوب الفائق التقليدي، ويستخدم خوارزميات لتخفيف وتصحيح الأخطاء للحصول على نتائج ضمن أوقات تشغيل عملية.

في عصر الحوسبة الكمية، من المتوقع أن تساعد الحوسبة الفائقة التي تركز على الحوسبة الكمية الباحثين على تحقيق اختراقات كبيرة في مجالات علوم المواد، التعلم الآلي،الذكاء الاصطناعي التوليدي، والفيزياء عالية الطاقة والمزيد، وربما تتفوق على أنظمة الحوسبة الكمية الكاملة واسعة النطاق.

يستخدم الحاسوب الفائق المرتكز على الحوسبة الكمية المتكاملة برامج وسيطة متقدمة لدمج لدوائر الحوسبة الكمية مع موارد الحوسبة الكلاسيكية. تجمع الحواسيب الفائقة المرتكزة على الحوسبة الكمية، والتي تعتمد على بنية IBM Quantum System Two® —وهي اللبنات الأساسية للحوسبة الفائقة المرتكزة على الحوسبة الكمية —بين الحوسبة الكمية والحواسيب العملاقة التقليدية لاستكمال وتحسين أداء كلا العنصرين. 

في عام 1994، اكتشف عالم الرياضيات Peter Shor بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا خوارزمية يمكنها تقسيم الأعداد الكبيرة إلى عوامل أولية أسرع أضعافًا مضاعفة من أفضل الخوارزميات الكلاسيكية، وذلك باستخدام حاسوب كمي. بعد ذلك بعامين، اكتشف Lov Grover خوارزمية الحوسبة الكمية والتي يمكنها البحث في قاعدة البيانات بشكل أسرع من خوارزمية البحث الكلاسيكية. أدت هذه الاكتشافات إلى تسريع الاهتمام بالحوسبة الكمية بشكل كبير. 

لقد أثبت Shor وGrover، على الأقل من الناحية النظرية، أن حاسوب الحوسبة الكمية المفيد يمكنه معالجة بعض العمليات المعقدة بشكل أسرع من الطرق الكلاسيكية—أسرع بمئات الآلاف من السنين. حتى الحواسيب الفائقة الأكثر تقدمًا في العالم، مثل تلك المستخدمة في مراكز البيانات والجامعات رفيعة المستوى، ليست قادرة ببساطة على معالجة عمليات الحوسبة الكمية الكبيرة بسرعة كافية. 

لم يعد الأمر نظريًا، فقد أثبتت معالجات الحوسبة الكمية مثل IBM QUANTUM® Heron جدوى الحوسبة الكمية. ومع ذلك، فإن أجهزة الحوسبة الكمية اليوم محدودة بسبب عقبات مثل عدد الكيوبتات التي يمكنها معالجتها والأخطاء الكامنة في الأجهزة الكمومية.

تجمع الحوسبة الفائقة المرتكزة على الحوسبة الكمية نقاط القوة في الحوسبة الكمية والكلاسيكية، وذلك باستخدام الخصائص الفريدة للكيوبتات لإجراء عمليات حسابية غير ممكنة في لأنظمة الكلاسيكية. يهدف هذا النهج إلى التغلب على قيود الحوسبة الكلاسيكية عالية الأداء من خلال إدخال حواسيب الحوسبة الكمية في تدفقات سير العمل الحالية، ومن ثَمَّ تعزيز الكفاءة والقدرة الحسابية لكلا النوعين من الأنظمة.

فيما يلي بعض الاختلافات الرئيسية بين الحوسبة عالية الأداء والحوسبة الفائقة المرتكزة على الحوسبة الكمية:

الحوسبة عالية الأداء التقليدية:

• تم بناؤه على أساس بنية الكمبيوتر الكلاسيكية
• محدودة بالمعالجة الثنائية وقابلية التوسع الخطي

الحوسبة الفائقة المرتكزة على الكم:

• تتضمن حواسيب الحوسبة الكمية لاستخدام موارد الحوسبة الكمية والكلاسيكية في أحمال التشغيل المتوازية
• مُحسّن للعمل Orchestrate® عبر مجموعة حوسبة حواسيب الحوسبة الكمية وHPC في نفس مركز البيانات أو في السحابة
• توفر سرعات هائلة وقوة معالجة أكبر مما يمكن أن توفره الحوسبة الكمية أو الحوسبة الكلاسيكية لمشاكل معينة

مع استمرار الحوسبة الكمية التجريبية في التقدم بسرعة، فإننا نتوقع أن تكون الحوسبة الفائقة المرتكزة على الحوسبة الكمية بمثابة جسر محوري لتحقيق مزايا الحوسبة الكمية—وهي العلامة الفارقة التي يقيس بها الباحثون ما إذا كانت أجهزة الحوسبة الكمية تتفوق على الأجهزة الكلاسيكية التي تحاكي نظام الحوسبة الكمية أو أي طرق كلاسيكية أخرى لحل مشكلة عملية. ومع ذلك، لا يُتوقع أن تحل الحوسبة الكمية محل الحوسبة الكلاسيكية بشكل كامل. بدلاً من ذلك، تجمع الحواسيب الفائقة المتمحورة حول الكم بين الحواسيب الكمومية والحواسيب الكلاسيكية، حيث يعمل كل نوع من النظامين معاً لتشغيل عمليات حسابية تتجاوز ما هو ممكن على أي منهما بمفرده.

على الصعيد العالمي، بدأت بالفعل العديد من مرافق الحواسيب الفائقة في دمج أجهزة الحوسبة الكمومية، بما في ذلك جهاز Jupiter الألماني، وجهاز Fugaku الياباني، وجهاز PSNC البولندي. وكجزء من خطة IBM QUANTUM، تأمل IBM في بناء حواسيب فائقة تركز على الكم مع آلاف الكيوبتات المنطقية بحلول عام 2033.

على عكس الحواسيب التقليدية، تستخدم حواسيب الحوسبة الكمية الصفات الأساسية للفيزياء الحوسبة الكمية لحل المشاكل المعقدة بشكل محتمل. المبادئ الأربعة الأساسية لحواسيب الحوسبة الكمية هي كما يلي:

• التراكب: التراكب هو الحالة التي يمكن فيها لجسيم أو نظام الحوسبة الكمية أن يمثل ليس فقط احتمالاً واحدًا، بل مزيجًا من احتمالات متعددة.
• التشابك: التشابك هو العملية التي تصبح فيها الجسيمات الحوسبة الكمية المتعددة مترابطة بشكل أقوى مما تسمح به الاحتمالات العادية.
• فقدان التماسك: التلاشي هو العملية التي يمكن أن تتحلل فيها الجسيمات والأنظمة الحوسبة الكمية أو تنهار أو تتغير، وتتحول إلى حالات مفردة قابلة للقياس بواسطة الفيزياء الكلاسيكية.
• التداخل: هو الظاهرة التي يمكن أن تتفاعل فيها الحالات الكمية المتشابكة وتنتج احتمالات أكثر أو أقل احتمالاً.

بينما تعتمد الحواسيب الكلاسيكية على بتات ثنائية (أصفار وآحاد) لتخزين البيانات ومعالجتها، يمكن للحواسيب الحوسبة الكمية ترميز كمية أكبر من البيانات في آن واحد باستخدام (الكيوبتات) في التراكب. 

يمكن أن يتصرف الكيوبت مثل البت التقليدي ويخزن قيمة إما صفر أو واحد، لكن قوته تأتي من قدرته على تخزين التراكب: مزيج مرجح من صفر وواحد في نفس الوقت. عند دمجها، يمكن لمجموعة من الكيوبتات في التراكب تخزين معلومات أكثر من نفس عدد البتات. ومع ذلك، يمكن لكل كيوبت إخراج بت واحد فقط من المعلومات في نهاية الحساب. تعمل خوارزميات الحوسبة الكمية عن طريق تخزين المعلومات التلاعب به ببطرق لا يمكن لأجهزة الكمبيوتر التقليدية الوصول إليها، ما يوفر تسريعًا ملحوظًا في معالجة بعض المشكلات.

يتطلب التحكم في الكيوبتات أجهزة دقيقة حساسة للتداخل ويجب الاحتفاظ بها في درجات حرارة شديدة البرودة. يستخدم باحثو الحوسبة الكمية التبريد بالتجميد الشديد للحفاظ على الكيوبتات في درجات حرارة أكثر برودة من فراغ الفضاء. 

في الوقت الحالي، تعتبر أجهزة الحوسبة الكمية باهظة الثمن وكبيرة الحجم وعرضة للأخطاء. في حين يعمل الباحثون يومياً على مواجهة تحديات بناء حواسيب الحوسبة الكمية أكبر، إلا أنه من غير المتوقع أن تحل الحوسبة الحوسبة الكمية محل الحوسبة التقليدية تماماً في وقت قريب، أو ربما على الإطلاق. ذلك لأن حوسبة الحوسبة الكمية هي الأنسب لبعض المشكلات المعقدة.

في غضون دقائق، يمكن للحاسوب الحوسبة الكمية حل مشكلة محاكاة قد تستغرق مئات الآلاف من السنين من الحواسيب الفائقة التقليدية. لم يتم إثبات هذه السرعة في الأداء، المعروفة باسم مزايا الحوسبة الكمية، إلا نظريًا حتى الآن. ومع ذلك، فقد أثبتت حواسيب الحوسبة الكمية من شركة IBM بالفعل مرفق خدمات الحوسبة الكمية، وهي القدرة على حل المشكلات على نطاق يتجاوز المحاكاة الكلاسيكية القائمة على القوة الغاشمة. 

تستند الحوسبة الكمية إلى مبادئ ميكانيكا الكمّ، التي تشرح كيف تتصرف الجسيمات دون الذرية بشكل مختلف عن الفيزياء على المستوى الكبير. ولكن لأن ميكانيكا الكم توفر القوانين الأساسية لكوننا بأكمله، على المستوى دون الذري، فإن كل نظام هو نظام كموم.

ولهذا، يمكن القول إن أجهزة الكمبيوتر التقليدية مبنية على أنظمة كمّية، لكنها لا تستفيد من الخصائص الكمّية أثناء تنفيذ العمليات الحسابية. تستفيد الحواسيب الكمومية بشكل أفضل من ميكانيكا الكم لإجراء بعض العمليات الحسابية التي لا تستطيع حتى الحواسيب عالية الأداء إجراءها. 

تستخدم نماذج الحساب الكلاسيكية سلاسل من الأرقام الثنائية (البتات) لتقليل جميع المعلومات إلى رمز ثنائي يتكون من أصفار وآحاد. باستخدام مجموعة من البوابات المنطقية البسيطة، مثل AND وOR وNO وNAND، يمكننا معالجة هذه المعلومات لإجراء حسابات متقدمة. ومع ذلك، يمكن لكل بوابة منطقية أن تعمل فقط على بت واحد أو اثنين في كل مرة. نحدد أن "حالة" الكمبيوتر الكلاسيكي تعتمد على حالات جميع بتاته. تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية الترانزستورات وأشباه الموصلات لتخزين المعلومات الثنائية ومعالجتها. 

تستخدم أجهزة كمبيوتر الحوسبة الكمية نوعًا خاصًا من أجهزة الحوسبة الكمية تسمى وحدة معالجة الحوسبة الكمية (QPU) لتخزين البيانات ومعالجتها بشكل مختلف. تستخدم الحواسيب الكلاسيكية الترانزستورات لتخزين بتات المعلومات، لكن الحواسيب الكمومية تستخدم الكيوبتات المصنوعة عادةً من جسيمات كمومية (تلك التي تتصرف مثل أصغر وحدات البناء المعروفة في الكون المادي). على عكس البتات التقليدية، تحمل الكيوبتات أكثر من حالتين من المعلومات. 

في حين أن الكمبيوتر الرقمي يمكن أن يكون في حالة واحدة فقط، فإن البتات الكمومية لحاسب الحوسبة الكمية يمكن أن تكون في العديد من الحالات المنطقية في وقت واحد أثناء عملية الحساب. تعرف هذه الظاهرة باسم التراكب—موضع ثالث يمثل صفرا وواحدا وجميع المواضع بينهما بناء على الاحتمال. في نهاية الحساب، سيفترض كل كيوبت قيمة صفر أو واحد مع احتمال يقابل مساهمته في التراكب.

تعد الأنواع المختلفة من الكيوبتات أفضل لحالات الاستخدام والأنظمة المختلفة. تستخدم شركة IBM وحدات كيوبت فائقة التوصيل مفضلة للسرعة والتحكم الدقيق. تُستخدم البتات الكمومية المصنوعة من الفوتونات (جسيمات الضوء الفردية) بشكل شائع في الاتصالات الكمومية والتشفير الكمومي. وتشمل الأنواع الأخرى من الكيوبتات الأيونات المحبوسة والذرات المتعادلة والإلكترونات المفردة التي تحملها أشباه موصلات صغيرة تُعرف باسم النقاط الكمومية  

في قلب أي حاسوب فائق مرتكز على الحوسبة الكمية توجد وحدة معالجة الحوسبة الكمية (QPU). تتضمن وحدة المعالجة الكمومية من IBM الأجهزة التي تستقبل دوائر الإدخال والإخراج، بالإضافة إلى شريحة أشباه موصلات متعددة الطبقات محفورة بدوائر فائقة التوصيل. هذه الدوائر هي التي تحتوي على الكيوبتات المستخدمة لإجراء العمليات الحسابية والبوابات التي تقوم بإجراء العمليات عليها. تنقسم الدارات إلى طبقة تحتوي على الكيوبتات، وطبقة تحتوي على مرنانات للقراءة، وطبقات متعددة من الأسلاك للإدخال والمخرجات. تتضمن QPU أيضًا Interconnect®، والمكبرات ومكونات تصفية الإشارات.

ويتكون نوع الكيوبت الفيزيائي الذي تستخدمه IBM من مكثف فائق التوصيل موصول بمكونات تسمى وصلات Josephson والتي تتصرف كمحاثات غير خطية بلا فقد. نظرا لطبيعة التوصيل الفائق للنظام، فإن التيار المتدفق عبر تقاطعات Josephson يمكن أن يفترض قيما محددة فقط. تباعد تقاطعات Josephson أيضًا بين تلك القيم المحددة بحيث يمكن الوصول إلى قيمتين فقط من هذه القيم.

ثم يتم ترميز الكيوبت في أدنى قيمتين للتيار، والتي تصبح بعد ذلك صفرا وواحدا (أو كتراكب لكل من صفر وواحد). يقوم المبرمجون بتغيير حالات الكيوبت وزوج الكيوبتات مع التعليمات الكمومية، والمعروفة باسم البوابات. هذه سلسلة من أشكال موجات الميكروويف المصممة خصيصا. 

للحفاظ على عمل الكيوبتات في درجة الحرارة المطلوبة، يجب وضع بعض عناصر وحدة المعالجة الكمية QPU داخل ثلاجة تخفيف، والتي تحافظ عليها باردة باستخدام الهيليوم السائل. تتطلب عناصر QPU الأخرى أجهزة حوسبة كلاسيكية بدرجة حرارة الغرفة. بعد ذلك، يتم توصيل وحدة المعالجة الكمية بالبنية التحتية لوقت التشغيل، والتي تقوم أيضًا بتخفيف الأخطاء ومعالجة النتائج. هذا هو الكمبيوتر الكمي.

ويتم تحقيق تكامل الأنظمة الكمومية والكلاسيكية من خلال البرامج الوسيطة وحلول السحابية الهجينة التي تسهل التفاعل السلس بين النظامين. سيساعد هذا النهج الهجين على ضمان إمكانية استخدام وحدات المعالجة الكمومية بفعالية داخل الحواسيب الكمومية المتصلة بالأطر الحاسوبية الحالية، مما يزيد من تأثيرها إلى أقصى حد دون الحاجة إلى إصلاح شامل للبنى التحتية الحالية.

على الرغم من التطورات الأخيرة، فإن التحكم في الكيوبتات يمثل تحديًا كبيرًا. تؤدي الضوضاء الخارجية والتداخل بين إشارات التحكم إلى تدمير خصائص الحوسبة الكمية الهشة للكيوبتات، وكان التحكم في مصادر الضوضاء هذه عاملاً أساسيًا في تعزيز تطوير الحواسيب الفائقة المرتكزة على الكم. 

إلى جانب تحسينات الأجهزة، أظهر الباحثون القدرة على التعامل مع بعض الضوضاء باستخدام خوارزميات تخفيف الأخطاء التي تحلل كيفية تغيير ضوضاء النظام على مخرجات البرنامج. ويستخدم الباحثون هذه المعلومات لإنشاء نموذج ضوضاء، ثم يستخدمون الحوسبة الكلاسيكية لهندسة عكسية لنتيجة خالية من الضوضاء بناءً على تنبؤات النموذج. التخفيف من أخطاء الحوسبة الكمية هو جزء من المسار المستمر الذي سينقل أجهزة الحوسبة الكمية اليوم إلى حواسيب الحوسبة الكمية المتسامحة مع الأخطاء غدًا.

في الفيديو التالي، يشرح Andrew Eddins وYoungseok Kim الباحثان في شركة IBM QUANTUM الدور الحاسم الذي سيلعبه تخفيف الأخطاء في تحقيق الحوسبة الكمية المفيدة على المدى القريب.

على عكس تخفيف الأخطاء، حيث تقوم عملية ما بعد المعالجة بإصلاح الضوضاء بعد إجراء عملية حسابية، يمكن لتصحيح أخطاء الحوسبة الكمية إزالة الضوضاء في الوقت الفعلي أثناء المعالجة، دون الحاجة إلى إنشاء نموذج ضوضاء محدد أولاً. على الرغم من فعاليته إلى حد ما، إلا أن تخفيف الأخطاء محدود الحجم. مع زيادة تعقيد الدوائر الكمومية، يظل تصحيح الخطأ فعالا في الأنظمة واسعة النطاق.

تتطلب عملية تصحيح أخطاء الحوسبة الكمية العديد من الموارد، مثل المزيد من الكيوبتات والمزيد من البوابات في الدائرة. تتطلب الحوسبة باستخدام المزيد من الكيوبتات المزيد من الكيوبتات لتصحيح الأخطاء. تعمل الأجهزة الأفضل ورموز تصحيح الأخطاء الأفضل على تقريب تصحيح الأخطاء من الواقع. في وقت سابق من هذا العام، نشرت شركة IBM في وقت سابق من هذا العام نوعًا جديدًا من الذاكرة المصححة للأخطاء التي يمكن تصورها على أجهزة الكمبيوتر الكمية على المدى القريب.

الحياكة الدائرية هي تقنية تقوم بتقسيم مشكلة كمية واحدة إلى مشاكل متعددة ثم تشغيلها بالتوازي على معالجات حوسبة كمية مختلفة. تجمع الحواسيب الكمومية والكلاسيكية بدقة بين النتائج الفردية معًا للوصول إلى نتيجة حاسمة. تسمح حياكة الدوائر للباحثين الكميين بتشغيل الدوائر الكمومية بكفاءة أكبر بكثير من خلال دمج الحوسبة الكلاسيكية مع المعالجة الكمومية. 

التصورات الشائعة عن حواسيب الحوسبة الكمية غالبًا ما تتخيل وجود وحدة معالجة كمية واحدة، باستخدام ملايين الكيوبتات الفيزيائية، لتشغيل البرامج بشكل مستقل. "بدلاً من ذلك،" يكتب نائب رئيس قسم الحوسبة الكمية وزميل IBM Jay Gambetta، "نحن نتخيل أجهزة كمبيوتر تتضمن وحدات معالجة كمية متعددة، تعمل بدوائر كمية بالتوازي مع أجهزة كمبيوتر كلاسيكية موزعة." وهناك تقنية أخرى تعتمد على الحوسبة الكلاسيكية في معظم العمليات الحسابية، مع الاحتفاظ بالجزء الأكبر فقط لمعالج الحوسبة الكمية.

إن الوصول إلى مقاييس كبيرة بما يكفي لحل المشاكل باستخدام حواسيب الحوسبة الكمية يحتاج إلى تصحيح الأخطاء بالإضافة إلى وحدات معالجة كمية أكبر أو عدة وحدات معالجة كمية متصلة ببعضها. بالإضافة إلى Qiskit، برنامج IBM المتكامل لتشغيل أحمال العمل الكمّية، تقوم IBM أيضًا بتطوير البرمجيات الوسيطة لإدارة الحياكة الدائرية بدقة وتوفير الموارد الحاسوبية بشكل ديناميكي.

تتفوق حواسيب الحوسبة الكمية في معالجة بعض المشكلات المعقدة مع إمكانية تسريع معالجة مجموعات البيانات واسعة النطاق. من تطوير عقاقير جديدة إلى تحسين سلسلة التوريد إلى علوم المواد وتحديات تغير المناخ، قد تحمل الحوسبة الكمية مفتاح تحقيق اختراقات في العديد من الصناعات الحيوية الحساسة.

• الأدوية: يمكن لحواسيب الحوسبة الكمية القادرة على محاكاة السلوك الجزيئي والتفاعلات الكيميائية الحيوية أن تعمل بشكل كبير على تسريع البحث والتطوير للأدوية والعلاجات الطبية الجديدة المنقذة للحياة.

• الكيمياء: وللأسباب ذاتها التي تجعل الحوسبة الكمية مفيدة في الأبحاث الطبية، فقد تساعد أيضًا في إيجاد حلول جديدة للتقليل من المنتجات الثانوية الكيميائية الضارّة أو المدمّرة. قد تؤدي الحوسبة الكمية إلى تطوير محفّزات أفضل تتيح بدائل للمواد البتروكيميائية، أو إلى تحسين آليات تفكيك الكربون الضرورية للحد من الانبعاثات التي تسهم في تغيّر المناخ.

• التعلم الآلي: مع تزايد الاهتمام والاستثمار في الذكاء الاصطناعي (AI) والمجالات ذات الصلة مثل التعلم الآلي، يستكشف الباحثون ما إذا كانت بعض المؤشرات التي تدعو للاعتقاد بأن الخوارزميات الكمّية قد توفر طرقًا جديدة لتحليل مجموعات البيانات، مما يسرّع من أداء بعض مشكلات التعلُّم الآلي.

إن حواسيب الحوسبة الكمية، كما هي موجودة اليوم، هي أدوات علمية مفيدة لتشغيل برامج محددة تتجاوز القدرة التقليدية للمحاكاة الكلاسيكية—على الأقل عند محاكاة أنظمة حوسبة كمية معينة. ومع ذلك، في المستقبل المنظور، ستعمل الحوسبة الكمية جنبًا إلى جنب مع الحوسبة الفائقة الكلاسيكية الحديثة والمستقبلية لتكون مفيدة. استعدادًا لذلك، يستعد الباحثون في مجال الكمّ لعالم يمكن فيه لأجهزة الكمبيوتر الفائقة التقليدية الاستفادة من الدوائر الكمّية للمساعدة في حل المشكلات.

تشمل التحديات الرئيسية التي تواجه الحوسبة الفائقة المرتكزة على الكمّ نضج البرمجيات الوسيطة التي تسمح للحواسيب الكلاسيكية والكمية بالتواصل، بالإضافة إلى التحديات العامة التي تواجه الحواسيب الكمية نفسها. قبل تحقيق مزايا الحوسبة الكمية، حدد المطورون العقبات الرئيسية التالية التي يجب التغلب عليها.

يتطلب حاسوب الحوسبة الكمية واسع النطاق المكتمل بالكامل ملايين الكيوبتات الفيزيائية. ومع ذلك، فإن قيود الأجهزة العملية تجعل توسيع نطاق الرقائق الفردية إلى هذه المستويات أمرا صعبا للغاية. وكحل، تعمل شركة IBM على تطوير Interconnect® من الجيل التالي قادرة على نقل المعلومات الكمية عبر رقائق متعددة. يوفر هذا الحل قابلية توسع معيارية للوصول إلى الكيوبتات المطلوبة اللازمة لإجراء تصحيح الخطأ. تخطط IBM لعرض هذه الوصلات البينية الجديدة - التي تُسمى مزدوجات l ومزدوجات m - مع رقائق إثبات المفهوم التي تسمى Flamingo وCrossbill، على التوالي. هذه المقرنات مسؤولة عن تحجيم الرقائق. تخطط شركة IBM لعرض مقرنات c بحلول نهاية عام 2026 بشريحة تسمى Kookaburra. هذه مسؤولة عن المساعدة في تصحيح الخطأ.

في حين أن المعالجات الكمية التي تعتمد على الكيوبتات المستخدمة في الحوسبة الكمية تُظهر قدرة هائلة على التفوّق على المعالجات التقليدية القائمة على البتات، إلا أن المعالجات الكمّية الحالية لا تزال تدعم عددًا محدودًا فقط من الكيوبتات المحتملة. ومع تقدّم الأبحاث، تخطط IBM لتقديم نظام كمّي يحتوي على 200 كيوبت منطقي قادر على تنفيذ 100 مليون بوابة كمّية بحلول عام 2029، مع هدف مستقبلي يتمثل في 2,000 كيوبت منطقي قادر على تنفيذ مليار بوابة كمّية بحلول عام 2033.  

وعلى الرغم من أن الكيوبتات تُعدّ مكوّنات قوية، فإنها أيضًا عرضة للخطأ بدرجة عالية، مما يتطلب وجود أنظمة تبريد متقدّمة قادرة على توليد درجات حرارة أقل من درجة حرارة الفضاء الخارجي. يعمل الباحثون على تطوير طرق لتوسيع نطاق الكيوبتات والإلكترونيات والبنية التحتية والبرمجيات لتقليل البصمة والتكلفة واستخدام الطاقة.

يعد تماسك الكيوبت قصير الأمد، لكنه أساسي لتوليد بيانات كمية دقيقة. يُعدّ عدم الترابط، وهي العملية التي تفشل فيها الكيوبتات في العمل بشكل صحيح وتنتج نتائج غير دقيقة، عقبة رئيسية أمام أي نظام كمومي. ويستدعي تنفيذ تصحيح الأخطاء الكمّية تشفير المعلومات الكمّية باستخدام عدد من الكيوبتات يفوق العدد المطلوب عادةً لتنفيذ عملية أخرى. وفي عام 2024، أعلنت IBM عن شفرة جديدة لتصحيح الأخطاء الكمّية تُعدّ إنجازًا مهمًا، حيث تتميّز بفعالية أعلى بنحو 10 أضعاف مقارنة بالأساليب السابقة. في حين أن تصحيح الأخطاء ليس مشكلة محلولة، إلا أن هذا الرمز الجديد يمثل طريقاً واضحاً نحو تشغيل دارات كمومية بمليار بوابة منطقية أو أكثر. 

تتطلب مزايا الحوسبة الكمية عنصرين. الأول هو الدوائر الكمومية القابلة للتطبيق، والثاني هو وسيلة لإثبات أن تلك الدوائر الكمومية هي أفضل طريقة لحل مشكلة كمومية على أي طريقة أخرى حديثة. ويُعدّ اكتشاف الخوارزميات الكمّية هو ما سينقل الحوسبة الكمية من مرحلة المنفعة الكمّية إلى الميزة الكمّية. 

يعتمد جوهر اكتشاف خوارزمية الحوسبة الكمية على مجموعة برمجيات عالية الأداء ومستقرة لكتابة وتحسين وتنفيذ برامج الحوسبة الكمية. يعد برنامج Qiskit من شركة IBM هو برنامج الكم الأكثر استخدامًا على نطاق واسع في العالم. تعتمد على Python وتتكون من SDK مفتوح المصدر وأدوات وخدمات داعمة - وهي مفيدة للتنفيذ على أسطول IBM من الحواسيب الكمومية فائقة التوصيل وعلى الأنظمة التي تستخدم تقنيات بديلة، مثل الأيونات المحتجزة في المجالات المغناطيسية أو التلدين الكمومي.