Kvantni internet: ovako IBM i Cisco planiraju povezati kvantne računare

Informatec Digital » Resursi » Kvantni internet: ovako IBM i Cisco planiraju povezati kvantne računare

U tom kontekstu, savez između IBM-a i Cisca dolazi do izražaja . Ova dva giganta odlučila su udružiti snage kako bi dizajnirali i izgradili temelje mreže međusobno povezanih kvantnih računara otpornih na greške . Njihov cilj nije samo proizvodnja snažnijih mašina, već i omogućavanje tim mašinama da sarađuju putem kvantne komunikacijske infrastrukture, što dovodi do onoga što mnogi već nazivaju "Internetom kvantnog računarstva".

Kubiti: srce modernog kvantnog računarstva

Da bismo razumjeli zašto je ovaj savez toliko relevantan, prvo moramo razjasniti šta je kubit i kako se razlikuje od klasičnog bita . Dok tradicionalni računari rade s bitovima koji mogu biti samo 0 ili 1, kubiti su regulisani pravilima kvantne mehanike i mogu postojati u superpoziciji oba stanja istovremeno.

Zahvaljujući ovoj kvantnoj superpoziciji , kvantni procesor može paralelno istraživati ​​broj stanja koji eksponencijalno raste s brojem kubita. IBM je, na primjer, već implementirao svoju porodicu procesora Heron, sa 133 kubita , u raznim istraživačkim centrima širom svijeta, pokazujući da ovaj pristup počinje biti koristan i izvan laboratorije.

Projekcije kompanije ukazuju na to da bi, sa procesorom od oko 300 dobro kontrolisanih kubita , bilo moguće riješiti probleme za koje bi najmoćnijim klasičnim superračunarima bile potrebne hiljade godina. To uključuje naprednu hemijsku simulaciju, ekstremnu finansijsku optimizaciju i dizajn materijala sa vrlo specifičnim svojstvima.

Međutim, ključ ne leži samo u povećanju broja kubita, već i u poboljšanju njihove stabilnosti i kvantne koherencije . Godinama je glavna prepreka u kvantnom računarstvu bila precizno održavanje kvantnog stanja dovoljno dugo da se izvrše korisni proračuni prije nego što se sistem degradira zbog šuma i dekoherencije.

U ovom trenutku, IBM je napravio značajan napredak u kvantnoj korekciji grešaka . Kompanija se nije ograničila na poboljšanje tačnosti svakog kubita pojedinačno, već je dizajnirala sheme u kojima više fizičkih kubita radi redundantno kako bi formirali robusnije logičke kubitove, sposobne za detekciju i ispravljanje grešaka u realnom vremenu. Ovaj napredak je ključan za postizanje zaista otpornih mašina na greške.

Kvantno preplitanje i mreže: gdje Cisco stupa na scenu

Kada postoji minimalno stabilan kvantni hardver, sljedeći korak je omogućavanje saradnje različitih procesora jedni s drugima. Tu dolazi do izražaja stručnost kompanije Cisco, koja fokusira svoja istraživanja na ono što naziva kvantnim mrežama - infrastrukture sposobne za prenos kvantnih informacija bez uništavanja njihovih svojstava.

Centralni dio ove slagalice je kvantno prepletenost . Kada su dva kubita prepletena, stanje jednog je povezano sa stanjem drugog, čak i ako su udaljeni kilometrima. Bilo koje mjerenje na jednom od njih trenutno utiče na njegovog partnera. Iskorištavanje ovog fenomena omogućava distribuiranoj kvantnoj mreži da funkcioniše kao jedinstven, koherentan logički sistem.

Cisco timovi rade na prenosnim sistemima koji održavaju ovu isprepletenost na velikim udaljenostima koristeći optička vlakna . Samo ponovno korištenje postojeće internet infrastrukture nije dovoljno: to zahtijeva razvoj specifičnih elemenata poput repetitora ili kvantnih mostova i upravljanje pojedinačnim fotonima koji kodiraju kvantne informacije uz minimalne gubitke.

Obećanje ove tehnologije postaje vrlo jasno kada počnete razmišljati o njenim primjenama. Robusna kvantna mreža bi omogućila, na primjer, globalnoj banci da vrši proračune optimizacije portfelja u realnom vremenu raspodjeljujući radno opterećenje između nekoliko kvantnih procesora smještenih na različitim kontinentima, a sve to uz nivo sigurnosti daleko superiorniji od onog kod trenutnih sistema.

U oblastima zdravstva i nauke o materijalima, ova infrastruktura bi olakšala molekularne simulacije u obimu koji je danas nezamisliv, čineći dizajn složenih lijekova ili potragu za novim spojevima sa naprednim svojstvima mnogo bržim, bilo da se radi o baterijama, superprovodnicima ili ultraotpornim materijalima.

Ciljevi saveza IBM-a i Cisco-a: Od ključnih događaja do 2030. godine

Imajući ovaj kontekst u vidu, IBM i Cisco su najavili dugoročnu saradnju kako bi postavili temelje za distribuirano kvantno računarstvo. Njihov cilj je početak 2030-ih, do kada očekuju da će ključne komponente funkcionalnog kvantnog interneta biti spremne.

Prva važna prekretnica koju su postavili je približan petogodišnji vremenski okvir za demonstraciju koncepta povezivanja nekoliko velikih, individualnih kvantnih računara otpornih na greške. Ideja je da će ove mašine moći obavljati zajedničke proračune sa desetinama ili čak stotinama hiljada kubita , daleko iznad onoga što jedna izolovana mašina može podnijeti.

Što se tiče kapaciteta, ova eksperimentalna mreža bi trebala biti u stanju da rješava probleme koji uključuju milijarde ili trilione kvantnih vrata - to jest, ogroman broj operacija preplitanja i manipulacija kvantnim stanjima. Ovaj nivo složenosti je upravo ono što je potrebno za transformativne primjene poput masovne optimizacije ili dizajna lijekova sljedeće generacije.

IBM istovremeno slijedi vlastiti plan za isporuku velikih, na greške otpornih kvantnih računara prije kraja ove decenije. Ono što želi postići s Ciscom jeste da ide korak dalje: da osigura da ove mašine ne ostanu izolovani "ostrvi" računarske snage, već da formiraju distribuiranu kvantnu računarsku mrežu koja pojačava njihov ukupni kapacitet.

U ovom pristupu, arhitektura je zamišljena kao cjelina: hardver za povezivanje kvantnih računara , softver za koordinaciju izračuna distribuiranih među njima i slojevi mrežne inteligencije koji odlučuju kako i kada premjestiti kvantne informacije s jednog čvora na drugi, maksimizirajući performanse i pouzdanost.

Srednjoročno gledano, dvije kompanije imaju cilj da do kraja 2030. godine imaju početnu demonstraciju distribuirane kvantne mreže. Ova demonstracija će se zasnivati ​​na preplitanju kubita iz nekoliko nezavisnih kvantnih računara, instaliranih u različitim kriogenim okruženjima, što također predstavlja značajan izazov u fizikalnom inženjerstvu.

Da bi se ovo omogućilo, bit će potrebno izumiti i usavršiti nove tehnologije međusobnog povezivanja, kao što su mikrovalni optički pretvarači koji pretvaraju kvantne signale u mikrovalnom rasponu (tipično za supravodljive kubite) u optičke fotone koji putuju kroz vlakno i obrnuto. Nadalje, bit će potreban specijalizirani softverski paket sposoban za orkestriranje cijelog ovog toka kvantnih informacija bez gubitka koherencije .

QPU, QNU i novi kvantni centar podataka

Jedan od najzanimljivijih konceptualnih elemenata plana je definicija dvije ključne komponente: QPU-a (kvantne procesorske jedinice) i QNU-a (kvantne mrežne jedinice) . QPU je, jednostavno rečeno, sam kvantni procesor, gdje se nalaze stacionarni kubiti koji obavljaju proračune.

QNU je, sa svoje strane, dizajniran kao kvantni mrežni interfejs odgovoran za transformaciju te stacionarne kvantne informacije QPU-a u ono što se obično naziva "letećim" kvantnim informacijama: stanja koja putuju, uglavnom, kodirana u fotonima kroz komunikacijsku mrežu.

IBM planira izgraditi ove kvantne mrežne jedinice tako da mogu djelovati kao mostovi između više QPU-ova unutar jednog kvantnog podatkovnog centra. Ciscova uloga bit će dizajniranje mreže sposobne za distribuciju spletenosti između proizvoljnih parova QNU-ova na zahtjev, ovisno o potrebama svakog algoritma ili aplikacije.

Kako bi koordinirao ovu dinamiku resursa, Cisco razvija okvir softverskog protokola velike brzine koji može kontinuirano i dinamički rekonfigurirati mrežne putanje. U praksi, to znači da se veze kvantne isprepletenosti stvaraju, uništavaju i preusmjeravaju velikom brzinom kako bi se napajali djelomični proračuni koje obavljaju različiti QPU-ovi.

Još jedno područje zajedničkog rada je razvoj takozvanih "kvantnih mrežnih mostova ", sastavljenih od hardvera sljedeće generacije i softvera otvorenog koda. Ovi mostovi će koristiti Cisco mrežne čvorove za međusobno povezivanje velikog broja IBM QPU-ova unutar jednog podatkovnog centra, a kasnije će proširiti ovaj model na više međusobno povezanih centara.

U tom scenariju, koncept kvantnog podatkovnog centra je potpuno redefiniran: više se ne radi samo o postavljanju rackova klasičnih servera, već o integraciji kriostata s kvantnim procesorima, QNU-ovima, optičkim pretvaračima, kvantnim ruterima i mješovitim slojem klasičnog i kvantnog računarstva koji rade na koordiniran način.

Iza jedne zgrade: prema kvantnom internetu

Povezivanje dva kvantna računara unutar iste prostorije već predstavlja izazov, ali pravi korak naprijed leži u prenosu kubita na veće udaljenosti , na primjer, između zgrada ili podatkovnih centara udaljenih kilometrima. Tu do izražaja dolaze optički fotoni i infrastruktura optičkih vlakana koja je već raspoređena širom svijeta .

IBM i Cisco će istražiti kako integrirati tehnologije optičkih fotona i mikrotalasno-optičkih pretvarača u kvantnu mrežu koja može prenositi informacije samo kada je to potrebno, minimizirajući gubitke i održavajući isprepletenost. Krajnji cilj je proširiti ovu kvantnu mrežu grad po grad, državu po državu, i na kraju, na planetarnoj skali.

U ovoj mogućoj budućnosti, takozvani kvantni računarski internet neće biti ograničen samo na povezivanje kvantnih računara. On će također biti vezivno tkivo koje povezuje ultra-osjetljive kvantne senzore, kvantne komunikacijske sisteme i druge distribuirane uređaje koji dijele informacije na daljinu bez gubitka prednosti kvantne fizike.

Razmatrane primjene su vrlo raznolike: od ultra-sigurne komunikacije (zahvaljujući protokolima za distribuciju kvantnih ključeva koji vam omogućavaju da znate da li neko pokušava da špijunira) do mnogo preciznijeg praćenja okoliša, sposobnog za detaljno praćenje klime, vremena, seizmičke aktivnosti ili čak vrlo osjetljivih industrijskih procesa.

Sve ovo otvara vrata onome što sami IBM i Cisco opisuju kao eksponencijalno veći računarski prostor . Kada imate mnogo kvantnih računara koji rade zajedno i kombinujete ih sa klasičnim superračunarima i akceleratorima poput GPU-ova, dobijate kvantno-centrični superračunarski okvir koji može da se uhvati u koštac sa problemima koji su danas jednostavno nerješivi.

Paralelno s tim, IBM sarađuje s institucijama poput Centra za superprovodljive kvantne materijale i sisteme (SQMS) , kojim upravlja Fermilab u Sjedinjenim Državama, kako bi proučili koliko QNU-ova može efikasno raditi u ovim kvantnim podatkovnim centrima i kako skalirati broj od nekoliko međusobno povezanih QPU-ova do desetina ili stotina u narednim godinama.

Tehnički izazovi, sajber sigurnost i realan vremenski okvir

Iako razgovor može zvučati vrlo ambiciozno, kompanije su svjesne da pred njima još uvijek postoje vrlo ozbiljne tehničke prepreke . Kvantni šum, dekoherencija i potreba održavanja temperatura blizu apsolutne nule ostaju glavna ograničenja kada je u pitanju povećanje hardvera.

Kvantni procesori zasnovani na supravodljivim kolima moraju raditi na temperaturi od oko -273°C , što podrazumijeva složene kriostate, potrošnju energije i infrastrukturne zahtjeve neuobičajene u tradicionalnim podatkovnim centrima. Skaliranje na arhitekture sa stotinama hiljada logičkih kubita otpornih na greške predstavlja monumentalni inženjerski izazov.

Na nivou mreže, krhkost kvantnih informacija tokom prenosa zahtijeva razvoj uređaja kao što su kvantni pretvarači i repetitori sa vrlo visokom efikasnošću i minimalnim gubicima. Nadalje, sinhronizacija kvantnih operacija između različitih čvorova sa preciznošću manjom od nanosekunde daleko je od trivijalnog zadatka.

Također postoji značajan nedostatak zrelosti u gornjim softverskim slojevima: potrebni su protokoli kvantnog usmjeravanja , kao i alati za orkestraciju za distribuciju kvantnih zadataka, sistemi za ispravljanje grešaka koordinirani između više čvorova, API-ji za programere za programiranje distribuiranih algoritama bez pretjeranog korištenja i tako dalje.

U području sigurnosti, postoje dvije strane medalje. S jedne strane, dovoljno moćni kvantni računari mogli bi probiti trenutne kriptografske algoritme zasnovane na RSA ili eliptičnim krivuljama (ECC), ugrožavajući bankarske transakcije, vojne komunikacije ili osjetljive medicinske podatke. S druge strane, te iste kvantne tehnike nude alate poput kvantne distribucije ključeva koji omogućavaju teoretski neprobojnu sigurnu komunikaciju.

Zato IBM, Cisco i drugi igrači u industriji rade na postkvantnoj kriptografiji i protokolima kvantne sigurnosti, a istovremeno razvijaju hardver. Ideja je da ćemo do trenutka kada kvantni računari budu mogli napasti trenutne sigurnosne sisteme, već imati robusne alternative raspoređene za suprotstavljanje ovoj novoj vrsti prijetnje.

Što se tiče vremenskog okvira, procjene se ubrzavaju. Prije nekoliko godina, rečeno je da potpuno operativan kvantni računar neće stići prije 2040. godine. Sada IBM smješta praktično kvantno računarstvo u raspon od 5 do 10 godina za specifične primjene, a kraj 2030-ih označava kao razuman vremenski okvir za zreliji kvantni internet.

U međuvremenu, IBM-Cisco savez planira predstaviti prekretnice u razvoju : prvo, veze između dva QPU-a u različitim kriosistemima; zatim, mreže unutar istog podatkovnog centra; i kasnije, veze između podatkovnih centara. Sve ovo će biti praćeno sufinansiranjem akademskih i kolaborativnih istraživačkih projekata za podsticanje šireg kvantnog ekosistema.

Ova saradnja između IBM-a i Cisca stvara sliku u kojoj kvantno računarstvo prestaje biti izolirani eksperiment i počinje se integrirati kao ključna komponenta globalne digitalne infrastrukture. Ako uspiju prevladati izazove stabilnosti, ispravljanja grešaka, međusobnog povezivanja i sigurnosti, mogli bismo vidjeti rođenje distribuirane kvantne mreže u sljedećoj deceniji, sposobne transformirati sektore poput financija, medicine, logistike i nauke o materijalima, baš kao što je internet zauvijek promijenio klasično računarstvo.