- IBM i Cisco s'han aliat per crear una xarxa distribuïda d'ordinadors quàntics tolerants a errors, establint les bases d'una futura Internet quàntica.
- El projecte combina processadors quàntics avançats (QPU) amb unitats de xarxa quàntica (QNU) i nous protocols de comunicació per entrellaçar qubits a llarga distància.
- Les fites inclouen una primera prova de concepte en cinc anys i una demostració de xarxa quàntica escalable cap al 2030, connectant múltiples centres de dades.
- Si se superen els reptes tècnics i de seguretat, aquesta xarxa permetrà abordar problemes d'optimització, simulació i comunicacions segures inabastables per a la computació clàssica.
En aquest context entra en joc l'aliança entre IBM i Cisco , dos gegants que han decidit unir forces per dissenyar i construir les bases d'una xarxa d'ordinadors quàntics tolerants a fallades connectades entre si. El seu objectiu no és només fabricar màquines més potents, sinó aconseguir que aquestes màquines puguin cooperar a través d'una infraestructura de comunicacions quàntiques, donant lloc al que molts ja anomenen “Internet de la computació quàntica”.
Qubits: el cor de la computació quàntica moderna
Per entendre perquè aquesta aliança és tan rellevant, primer cal tenir clar què és un qubit i en què es diferencia d'un bit clàssic . Mentre que els ordinadors tradicionals treballen amb bits que només poden valer 0 o 1, els qubits es regeixen per les regles de la mecànica quàntica i es poden trobar en una superposició dels dos estats alhora.
Gràcies a aquesta superposició quàntica , un processador quàntic pot explorar de forma paral·lela un nombre d'estats que creix de forma exponencial amb el nombre de qubits. IBM, per exemple, ja ha desplegat la seva família de processadors Heron, amb 133 qubits , a diferents centres de recerca repartits pel món, demostrant que aquest enfocament comença a ser útil més enllà del laboratori.
Les projeccions de la companyia indiquen que, amb un processador d'uns 300 qubits ben controlats , seria possible resoldre problemes que els superordinadors clàssics més potents els portarien milers d'anys. Aquí parlem de simulació química avançada, optimització financera extrema o disseny de materials amb propietats molt específiques.
La clau, però, no està només a incrementar el nombre de qubits, sinó a millorar-ne l' estabilitat i la coherència quàntica . Durant anys, el gran escull de la computació quàntica ha estat precisament mantenir l'estat quàntic el temps suficient per fer càlculs útils abans que el sistema es degradi pel soroll i la decoherència.
En aquest punt IBM ha fet passos importants en correcció d'errors quàntics . L'empresa no s'ha limitat a millorar la fidelitat de cada qubit per separat, sinó que ha dissenyat esquemes en què diversos qubits físics treballen de manera redundant per formar qubits lògics més robustos, capaços de detectar i corregir errors en temps real. Aquest avenç és crucial per arribar a màquines realment tolerants a fallades.
Entrellaçament quàntic i xarxes: on Cisco entra a escena
Quan hi ha un maquinari quàntic mínimament estable, el següent pas és permetre que diferents processadors cooperin entre si. Aquí és on brilla l'experiència de Cisco, que està centrant la seva investigació en allò que anomena xarxes quàntiques , és a dir, infraestructures capaces de transmetre informació quàntica sense destruir-ne les propietats.
La peça central d'aquest trencaclosques és l' entrellaçament quàntic . Quan dos qubits estan entrellaçats, l'estat d'un està lligat al de l'altre, encara que estiguin a quilòmetres de distància. Qualsevol mesurament sobre un afecta instantàniament la seva parella. Aprofitar aquest fenomen és el que permet que una xarxa quàntica distribuïda funcioni com un únic sistema lògic coherent.
Els equips de Cisco treballen en sistemes de transmissió que mantinguin aquest entrellaçament a través de llargues distàncies mitjançant fibra òptica . No val reutilitzar la infraestructura clàssica d'Internet: cal desenvolupar elements específics com repetidors o ponts quàntics i gestionar fotons individuals que codifiquen informació quàntica amb pèrdues mínimes.
La promesa daquesta tecnologia es torna molt clara quan es comença a pensar en les seves aplicacions. Una xarxa quàntica robusta permetria, per exemple, que un banc global pogués executar càlculs d'optimització de carteres en temps real repartint el treball entre diversos processadors quàntics ubicats a diferents continents, i tot això amb un nivell de seguretat molt superior al dels sistemes actuals.
En l'àmbit de la salut i la ciència de materials, aquesta infraestructura facilitaria simulacions moleculars a una escala avui impensable, fent molt més ràpid el disseny de medicaments complexos o la cerca de nous compostos amb propietats avançades, ja sigui per a bateries, superconductors o materials ultraresistents.
Objectius de l'aliança IBM i Cisco: de les fites al 2030
Amb aquest context sobre la taula, IBM i Cisco han anunciat una col·laboració a llarg termini per establir les bases de la computació quàntica distribuïda en xarxa. L'horitzó que es marquen són els primers anys de la dècada del 2030, moment en què esperen tenir llistes les peces clau d'una internet quàntica funcional.
La primera gran fita que s'han fixat és un termini aproximat de cinc anys per demostrar una prova de concepte que connecti diversos ordinadors quàntics individuals de gran escala i tolerants a errors. La idea és que aquests equips puguin fer càlculs conjunts amb desenes o fins i tot centenars de milers de qubits , molt per sobre del que pot manejar una sola màquina aïllada.
En termes de capacitat, aquesta xarxa experimental hauria de poder executar problemes que impliquin milers de milions o bilions de portes quàntiques , és a dir, un nombre descomunal d'operacions d'entrellaçament i manipulació d'estats quàntics. Aquest nivell de complexitat és precisament el que cal per a aplicacions transformadores com l'optimització massiva o el disseny de fàrmacs de nova generació.
IBM manté paral·lelament el seu propi full de ruta per oferir ordinadors quàntics a gran escala i tolerants a errors abans que s'acabi la dècada actual. El que persegueix amb Cisco és anar un pas més enllà: que aquestes màquines no es quedin com a “illes” de potència de càlcul, sinó que puguin formar una xarxa distribuïda de computació quàntica que amplifiqui la seva capacitat total.
En aquest plantejament, l'arquitectura es concep com un tot: maquinari per connectar els ordinadors quàntics , programari per coordinar càlculs repartits entre ells i capes d'intel·ligència de xarxa que decideixin com i quan moure la informació quàntica d'un node a l'altre, maximitzant-ne el rendiment i la fiabilitat.
Més a mitjà termini, les dues companyies es marquen la meta de tenir una demostració inicial de xarxa quàntica distribuïda cap a finals del 2030 . Aquesta demo es basarà en entrellaçar qubits de diversos ordinadors quàntics independents, instal·lats en diferents entorns criogènics, fet que afegeix també un repte d'enginyeria física important.
Per fer-ho possible, caldrà inventar i perfeccionar noves tecnologies d'interconnexió, com ara transductors òptics de microones que converteixin senyals quàntics en el rang de microones (típiques dels qubits superconductors) en fotons òptics que viatgin per fibra, i viceversa. A més, caldrà un stack de programari especialitzat capaç d'orquestrar tot aquest flux d'informació quàntica sense perdre coherència.
QPU, QNU i el nou centre de dades quàntic
Una de les peces conceptuals més interessants del pla és la definició de dos components clau: la QPU (Quantum Processing Unit) i la QNU (Quantum Network Unit) . La QPU és, simplificant molt, el processador quàntic com a tal, on resideixen els qubits estacionaris que fan els càlculs.
La QNU, per la seva banda, està pensada com la interfície de xarxa quàntica encarregada de transformar aquesta informació quàntica estacionària de la QPU en allò que se sol anomenar informació quàntica “voladora”: estats que viatgen, generalment, codificats en fotons a través d'una xarxa de comunicacions.
IBM planeja construir aquestes unitats de xarxa quàntica perquè puguin actuar com a ponts entre diverses QPU dins un mateix centre de dades quàntic. El paper de Cisco serà dissenyar una xarxa capaç de distribuir entrellaçament entre parells arbitraris de QNU sota demanda, en funció del que necessiti cada algorisme o aplicació.
Per coordinar aquest ball de recursos, Cisco està desenvolupant un marc de protocol programari d'alta velocitat que pugui reconfigurar de manera contínua i dinàmica les rutes de xarxa. A la pràctica, això significa que els enllaços d'entrellaçament quàntic es creen, destrueixen i redirigeixen a gran velocitat per alimentar els càlculs parcials que van completant les diferents QPUs.
Una altra línia de treball conjunta és la dels anomenats “ponts de xarxa quàntica” , compostos per maquinari de nova generació i programari de codi obert. Aquests ponts utilitzaran els nodes de la xarxa de Cisco per interconnectar un gran nombre de QPU d'IBM dins d'un únic centre de dades, i més endavant estendre aquest model a múltiples centres interrelacionats.
En aquest escenari, el concepte de centre de dades quàntic es redefineix completament: ja no es tracta només de desplegar racks de servidors clàssics, sinó d'integrar criostats amb processadors quàntics, QNUs, transductors òptics, encaminadors quàntics i una capa mixta de computació clàssica i quàntica treballant de forma coordinada.
Més enllà d'un únic edifici: cap a Internet quàntica
Connectar dos ordinadors quàntics dins de la mateixa sala ja és un repte, però el veritable salt és transmetre qubits a distàncies majors , per exemple entre edificis o entre centres de dades que es troben a quilòmetres de distància. Aquí és on entren en joc els fotons òptics i la infraestructura de fibra ja desplegada a nivell global.
IBM i Cisco investigaran com integrar tecnologies de fotons òptics i transductors microones-òptics en una xarxa quàntica que pugui transportar informació només quan sigui necessari, minimitzant pèrdues i mantenint l'entrellaçament. La meta final és ser capaços d'estendre aquesta xarxa quàntica ciutat a ciutat, país a país i, a la llarga, a escala planetària.
En aquest futur possible, l'anomenada Internet de computació quàntica no es limitarà només a connectar ordinadors quàntics. També serà la cola que una sensors quàntics ultra sensibles, sistemes de comunicacions quàntiques i altres dispositius distribuïts que comparteixin informació a distància sense perdre els avantatges de la física quàntica.
Les aplicacions que s'estudien són molt variades: des de comunicacions ultra segures (gràcies a protocols de distribució quàntica de claus que permeten saber si algú intenta espiar) fins a una monitorització ambiental molt més precisa, capaç de seguir amb detall el clima, el temps atmosfèric, l'activitat sísmica o fins i tot processos industrials molt delicats.
Tot això obre la porta a allò que els propis IBM i Cisco descriuen com un espai computacional exponencialment més ampli . Quan tens molts ordinadors quàntics treballant junts, i els combines amb supercomputadors clàssics i acceleradors com GPU, obtens un marc de supercomputació centrat en la quàntica que pot atacar problemes que avui són simplement inabordables.
En paral·lel, IBM col·labora amb institucions com el Centre de Materials i Sistemes Quàntics Superconductors (SQMS) , liderat pel Fermilab als Estats Units, per estudiar quantes QNUs poden operar de forma eficient en aquests centres de dades quàntiques i com escalar d'unes poques QPUs interconnectades a desenes o centenars els propers anys.
Reptes tècnics, ciberseguretat i calendari realista
Encara que el discurs pugui sonar molt ambiciós, les companyies són conscients que encara hi ha obstacles tècnics molt seriosos per endavant . El soroll quàntic, la decoherència i la necessitat de mantenir temperatures properes al zero absolut continuen sent grans limitacions a l'hora d'escalar el maquinari.
Els processadors quàntics basats en circuits superconductors necessiten funcionar al voltant dels -273 ºC , la qual cosa implica criòstats complexos, consum energètic i requisits d'infraestructura poc habituals als centres de dades tradicionals. Escalar fins a arquitectures amb centenars de milers de qubits lògics tolerants a errors és un repte d'enginyeria monumental.
A nivell de xarxes, la fragilitat de la informació quàntica en trànsit obliga a desenvolupar dispositius com a transductors i repetidors quàntics amb eficiències molt altes i pèrdues mínimes. A més, sincronitzar operacions quàntiques entre nodes diferents amb precisions inferiors al nanosegon no és precisament trivial.
També falta molta maduresa a les capes de programari superiors: calen protocols d'encaminament quàntic , eines d'orquestració per distribuir tasques quàntiques, sistemes de correcció d'errors coordinats entre diversos nodes, API perquè els desenvolupadors programin algorismes distribuïts sense tornar-se bojos, etc.
Al terreny de la seguretat, hi ha una doble cara. D'una banda, ordinadors quàntics prou potents podrien trencar els algorismes criptogràfics actuals basats en RSA o corbes el·líptiques (ECC), posant en escac transaccions bancàries, comunicacions militars o dades mèdiques sensibles. De l'altra, les mateixes tècniques quàntiques ofereixen eines com la distribució quàntica de claus que permeten comunicacions amb seguretat teòricament indestructible.
Per això, tant IBM com Cisco i altres actors del sector estan treballant en criptografia postquantica i protocols quàntics de seguretat alhora que desenvolupen el maquinari. La idea és que, quan els ordinadors quàntics siguin capaços d'atacar els esquemes actuals, ja tinguem alternatives desplegades resistents a aquest nou tipus d'amenaça.
Pel que fa al calendari, les estimacions s'han anat accelerant. Fa uns anys es parlava que un ordinador quàntic plenament operatiu no arribaria abans del 2040. Ara, IBM situa la computació quàntica d'utilitat pràctica en una forquilla d'entre 5 i 10 anys per a aplicacions específiques, i marca finals de la dècada del 2030 com a moment raonable per a una Internet quàntica en un estat més madur.
Mentrestant, la pròpia aliança IBM-Cisco contempla anar mostrant fites intermèdies : primer, connexions entre dos QPUs en diferents criosistemes; després, xarxes dins un mateix centre de dades; més tard, connexions entre centres. Tot això acompanyat de cofinançament de projectes de recerca acadèmica i col·laborativa per impulsar un ecosistema quàntic més ampli.
Aquesta col·laboració entre IBM i Cisco dibuixa un escenari en què la computació quàntica deixa de ser un experiment aïllat i comença a integrar-se com a peça clau de la infraestructura digital global. Si aconsegueixen resoldre els reptes d'estabilitat, correcció d'errors, interconnexió i seguretat, en la propera dècada podríem veure el naixement d'una xarxa quàntica distribuïda capaç de transformar sectors com ara les finances, la medicina, la logística o la ciència de materials, de la mateixa manera que Internet va canviar per sempre la informàtica clàssica.
Índex
- 1 Qubits: el cor de la computació quàntica moderna
- 2 Entrellaçament quàntic i xarxes: on Cisco entra a escena
- 3 Objectius de l'aliança IBM i Cisco: de les fites al 2030
- 4 QPU, QNU i el nou centre de dades quàntic
- 5 Més enllà d'un únic edifici: cap a Internet quàntica
- 6 Reptes tècnics, ciberseguretat i calendari realista