Kvantový internet: takto plánují IBM a Cisco propojit kvantové počítače

Informatec Digital » Zdroje » Kvantový internet: takto plánují IBM a Cisco propojit kvantové počítače

V této souvislosti přichází na řadu spojenectví mezi společnostmi IBM a Cisco . Tito dva giganti se rozhodli spojit síly, aby navrhli a vybudovali základy sítě propojených kvantových počítačů odolných vůči chybám . Jejich cílem je nejen vyrábět výkonnější stroje, ale také umožnit těmto strojům spolupracovat prostřednictvím kvantové komunikační infrastruktury, což by vedlo k tomu, co mnozí již nazývají „internetem kvantových výpočtů“.

Qubity: srdce moderních kvantových výpočtů

Abychom pochopili, proč je tato aliance tak relevantní, musíme si nejprve objasnit, co je qubit a jak se liší od klasického bitu . Zatímco tradiční počítače pracují s bity, které mohou být pouze 0 nebo 1, qubity se řídí pravidly kvantové mechaniky a mohou existovat v superpozici obou stavů současně.

Díky této kvantové superpozici může kvantový procesor paralelně zkoumat řadu stavů, které exponenciálně rostou s počtem qubitů. Například IBM již nasadila svou rodinu procesorů Heron se 133 qubity v různých výzkumných centrech po celém světě, což dokazuje, že tento přístup začíná být užitečný i mimo laboratoř.

Projekce společnosti naznačují, že s procesorem s přibližně 300 dobře řízenými qubity by bylo možné řešit problémy, které by i nejvýkonnějším klasickým superpočítačům trvaly tisíce let. Patří mezi ně pokročilé chemické simulace, extrémní finanční optimalizace a návrh materiálů s velmi specifickými vlastnostmi.

Klíč však nespočívá jen ve zvýšení počtu qubitů, ale ve zlepšení jejich stability a kvantové koherence . Hlavní překážkou v kvantových výpočtech bylo po léta přesné udržování kvantového stavu dostatečně dlouho na to, aby bylo možné provádět užitečné výpočty, než systém degraduje v důsledku šumu a dekoherence.

V tomto bodě IBM dosáhla významného pokroku v kvantové korekci chyb . Společnost se neomezila pouze na zlepšení přesnosti každého qubitu zvlášť, ale navrhla schémata, ve kterých více fyzických qubitů pracuje redundantně a vytváří robustnější logické qubity, schopné detekovat a opravovat chyby v reálném čase. Tento pokrok je klíčový pro dosažení skutečně odolných strojů vůči chybám.

Kvantové provázání a sítě: kde vstupuje na scénu Cisco

Jakmile bude existovat minimálně stabilní kvantový hardware, dalším krokem je umožnit různým procesorům vzájemnou spolupráci. Právě zde vyniká odbornost společnosti Cisco, která se zaměřuje na výzkum tzv. kvantových sítí – infrastruktur schopných přenášet kvantovou informaci, aniž by se narušily její vlastnosti.

Ústředním dílem této skládačky je kvantové provázání . Když jsou dva qubity provázány, stav jednoho je propojen se stavem druhého, i když jsou od sebe vzdáleny kilometry. Jakékoli měření na jednom z nich okamžitě ovlivní jeho partnera. Využití tohoto jevu umožňuje distribuované kvantové síti fungovat jako jeden, koherentní logický systém.

Týmy společnosti Cisco pracují na přenosových systémech, které toto propojení udrží na velké vzdálenosti pomocí optických vláken . Pouhé opětovné využití stávající internetové infrastruktury nestačí: vyžaduje to vývoj specifických prvků, jako jsou opakovače nebo kvantové mosty, a správu jednotlivých fotonů, které kódují kvantovou informaci s minimálními ztrátami.

Příslib této technologie se stává zcela jasným, když začnete přemýšlet o jejích aplikacích. Robustní kvantová síť by například umožnila globální bance provádět výpočty optimalizace portfolia v reálném čase rozdělením pracovní zátěže mezi několik kvantových procesorů umístěných na různých kontinentech, a to vše s úrovní zabezpečení mnohem vyšší než u současných systémů.

V oblasti zdravotnictví a materiálových věd by tato infrastruktura usnadnila molekulární simulace v dnes nemyslitelném měřítku , čímž by se výrazně urychlil návrh komplexních léčiv nebo hledání nových sloučenin s pokročilými vlastnostmi, ať už se jedná o baterie, supravodiče nebo ultrarezistentní materiály.

Cíle aliance IBM a Cisco: Od milníků do roku 2030

S ohledem na tuto situaci společnosti IBM a Cisco oznámily dlouhodobou spolupráci s cílem položit základy pro distribuované kvantové výpočty. Zaměřily se na začátek 30. let 21. století, kdy očekávají, že do té doby budou mít připraveny klíčové komponenty funkčního kvantového internetu.

Prvním významným milníkem, který si stanovili, je přibližný pětiletý časový rámec pro demonstraci konceptu propojení několika rozsáhlých, chybově odolných, samostatných kvantových počítačů. Myšlenka je, že tyto stroje budou schopny provádět společné výpočty s desítkami nebo dokonce stovkami tisíc qubitů , což daleko přesahuje to, co dokáže jeden izolovaný stroj zvládnout.

Co se týče kapacity, tato experimentální síť by měla být schopna řešit problémy zahrnující miliardy nebo biliony kvantových bran – tedy kolosální množství provázaných operací a manipulací s kvantovými stavy. Tato úroveň složitosti je přesně to, co je potřeba pro transformační aplikace, jako je masivní optimalizace nebo návrh léků nové generace.

Společnost IBM současně pracuje na svém vlastním plánu, jehož cílem je do konce tohoto desetiletí dodat rozsáhlé, chybám odolné kvantové počítače . S Ciscem se snaží jít ještě o krok dál: zajistit, aby tyto stroje nezůstaly izolovanými „ostrovy“ výpočetního výkonu, ale spíše tvořily distribuovanou kvantovou výpočetní síť , která zesiluje jejich celkovou kapacitu.

V tomto přístupu je architektura koncipována jako celek: hardware pro propojení kvantových počítačů , software pro koordinaci výpočtů distribuovaných mezi nimi a vrstvy síťové inteligence, které rozhodují o tom, jak a kdy přesunout kvantové informace z jednoho uzlu do druhého, čímž se maximalizuje výkon a spolehlivost.

Ve střednědobém horizontu si obě společnosti kladou za cíl do konce roku 2030 provedit první demonstraci distribuované kvantové sítě. Tato demonstrace bude založena na provázání qubitů z několika nezávislých kvantových počítačů instalovaných v různých kryogenních prostředích, což zároveň představuje významnou výzvu z hlediska fyzikálního inženýrství.

Aby to bylo možné, bude nutné vynalézt a zdokonalit nové technologie propojení, jako jsou mikrovlnné optické měniče , které převádějí kvantové signály v mikrovlnném rozsahu (typickém pro supravodivé qubity) na optické fotony, které procházejí vláknem a naopak. Dále bude zapotřebí specializovaný softwarový balík schopný řídit veškerý tento tok kvantových informací bez ztráty koherence .

QPU, QNU a nové kvantové datové centrum

Jedním z nejzajímavějších koncepčních prvků plánu je definice dvou klíčových komponent: QPU (Quantum Processing Unit) a QNU (Quantum Network Unit) . QPU je, zjednodušeně řečeno, samotný kvantový procesor, kde se nacházejí stacionární qubity provádějící výpočty.

QNU je zase navržena jako kvantové síťové rozhraní zodpovědné za transformaci stacionární kvantové informace QPU na to, čemu se obvykle říká „létající“ kvantová informace: stavy, které se obecně šíří zakódované ve fotonech prostřednictvím komunikační sítě.

Společnost IBM plánuje vybudovat tyto kvantové síťové jednotky tak, aby mohly fungovat jako mosty mezi více QPU v rámci jednoho kvantového datového centra. Úlohou společnosti Cisco bude navrhnout síť schopnou distribuovat provázání mezi libovolnými dvojicemi QNU na vyžádání, v závislosti na potřebách každého algoritmu nebo aplikace.

Pro koordinaci této dynamiky zdrojů vyvíjí společnost Cisco vysokorychlostní softwarový protokolový rámec , který dokáže průběžně a dynamicky překonfigurovat síťové cesty. V praxi to znamená, že kvantově provázané spoje jsou vytvářeny, ničeny a přesměrovávány vysokou rychlostí, aby zásobovaly dílčí výpočty, které různé kvantově provázané jednotky (QPU) provádějí.

Další oblastí společné práce je vývoj tzv. „kvantových síťových mostů “, složených z hardwaru nové generace a softwaru s otevřeným zdrojovým kódem. Tyto mosty budou využívat síťové uzly Cisco k propojení velkého počtu kvantových procesorů IBM v rámci jednoho datového centra a později rozšíří tento model do více propojených center.

V tomto scénáři je koncept kvantového datového centra zcela předefinován: již nejde jen o nasazení racků s klasickými servery, ale o integraci kryostatů s kvantovými procesory, QNU, optickými převodníky, kvantovými routery a smíšenou vrstvou klasických a kvantových výpočtů pracujících koordinovaným způsobem.

Za hranicemi jediné budovy: směrem ke kvantovému internetu

Propojení dvou kvantových počítačů ve stejné místnosti je již samo o sobě výzvou, ale skutečný krok vpřed spočívá v přenosu qubitů na větší vzdálenosti , například mezi budovami nebo datovými centry vzdálenými kilometry. Zde přicházejí na řadu optické fotony a infrastruktura optických vláken, která je již rozmístěna po celém světě .

Společnosti IBM a Cisco budou zkoumat, jak integrovat technologie optických fotonů a mikrovlnných optických převodníků do kvantové sítě, která dokáže přenášet informace pouze v případě potřeby, minimalizovat ztráty a zachovat provázanost. Konečným cílem je být schopen rozšiřovat tuto kvantovou síť město po městě, zemi po zemi a nakonec v planetárním měřítku.

V této možné budoucnosti se tzv. kvantový počítačový internet neomezí pouze na propojení kvantových počítačů. Bude také spojkou, která spojí ultracitlivé kvantové senzory, kvantové komunikační systémy a další distribuovaná zařízení, která budou sdílet informace na dálku, aniž by ztratila výhody kvantové fyziky.

Uvažované aplikace jsou velmi rozmanité: od ultrabezpečné komunikace (díky protokolům pro distribuci kvantových klíčů, které umožňují zjistit, zda se někdo pokouší špehovat) až po mnohem přesnější monitorování životního prostředí, schopné detailně sledovat klima, počasí, seismickou aktivitu nebo dokonce velmi citlivé průmyslové procesy.

To vše otevírá dveře k tomu, co samotné společnosti IBM a Cisco popisují jako exponenciálně větší výpočetní prostor . Když máte mnoho kvantových počítačů pracujících společně a zkombinujete je s klasickými superpočítači a akcelerátory, jako jsou GPU, získáte kvantově orientovaný superpočítačový framework, který dokáže řešit problémy, které jsou dnes jednoduše neřešitelné.

Souběžně s tím IBM spolupracuje s institucemi, jako je Centrum pro supravodivé kvantové materiály a systémy (SQMS) , vedené americkým Fermilabem, s cílem zkoumat, kolik kvantových jednotek (QNU) může v těchto kvantových datových centrech efektivně fungovat a jak v nadcházejících letech škálovat počet propojených QPU na desítky nebo stovky.

Technické výzvy, kybernetická bezpečnost a realistický časový harmonogram

I když se tato přednáška může zdát velmi ambiciózní, společnosti si uvědomují, že je stále čekají velmi vážné technické překážky . Kvantový šum, dekoherence a nutnost udržovat teploty blízké absolutní nule zůstávají hlavními omezeními, pokud jde o škálování hardwaru.

Kvantové procesory založené na supravodivých obvodech musí pracovat při teplotě okolo -273 °C , což s sebou nese složité kryostaty, spotřebu energie a požadavky na infrastrukturu, které jsou v tradičních datových centrech neobvyklé. Škálování na architektury se stovkami tisíc logických qubitů odolných vůči chybám je monumentální inženýrskou výzvou.

Na úrovni sítě vyžaduje křehkost kvantové informace během přenosu vývoj zařízení, jako jsou kvantové převodníky a opakovače s velmi vysokou účinností a minimálními ztrátami. Synchronizace kvantových operací mezi různými uzly s přesností na subnanosekundy navíc zdaleka není triviální.

Významný nedostatek vyspělosti je také v horních softwarových vrstvách: jsou potřeba kvantové směrovací protokoly , stejně jako orchestrační nástroje pro distribuci kvantových úloh, systémy pro korekci chyb koordinované mezi více uzly, API pro vývojáře, aby mohli programovat distribuované algoritmy bez zbytečných přetížení, a tak dále.

V oblasti bezpečnosti existují dvě strany mince. Na jedné straně by dostatečně výkonné kvantové počítače mohly prolomit současné kryptografické algoritmy založené na RSA nebo eliptických křivkách (ECC) a ohrozit bankovní transakce, vojenskou komunikaci nebo citlivá lékařská data. Na druhé straně tytéž kvantové techniky nabízejí nástroje, jako je kvantová distribuce klíčů, které umožňují teoreticky neprolomitelnou bezpečnou komunikaci.

Proto IBM, Cisco a další hráči v oboru pracují na postkvantové kryptografii a kvantových bezpečnostních protokolech a zároveň vyvíjejí hardware. Myšlenka je taková, že v době, kdy budou kvantové počítače schopny útočit na současné bezpečnostní systémy, budeme již mít k dispozici robustní alternativy k boji proti tomuto novému typu hrozby.

Pokud jde o časový harmonogram, odhady se zrychlují. Před několika lety se říkalo, že plně funkční kvantový počítač nedorazí před rokem 2040. Nyní IBM odhaduje, že praktické kvantové výpočty budou pro konkrétní aplikace dostupné v rozmezí 5 až 10 let, a konec 30. let 21. století označuje za rozumný časový rámec pro zralejší kvantový internet.

Aliance IBM-Cisco mezitím plánuje představit mezilehlé cíle : nejprve propojení mezi dvěma kvantovými punkčními jednotkami (QPU) v různých kryosystémech, poté sítě v rámci stejného datového centra a později propojení mezi datovými centry. To vše bude doprovázeno spolufinancováním akademických a výzkumných projektů založených na spolupráci na podpoře širšího kvantového ekosystému.

Tato spolupráce mezi společnostmi IBM a Cisco vykresluje obraz, v němž kvantové výpočty přestávají být izolovaným experimentem a začínají se integrovat jako klíčová součást globální digitální infrastruktury. Pokud se jim podaří překonat výzvy týkající se stability, korekce chyb, propojení a bezpečnosti, mohli bychom se v příštím desetiletí dočkat zrodu distribuované kvantové sítě, která bude schopna transformovat odvětví, jako jsou finance, medicína, logistika a materiálové vědy, stejně jako internet navždy změnil klasické výpočty.