Kvanteinternet: Sådan planlægger IBM og Cisco at forbinde kvantecomputere

Informatic Digital » Recursos » Kvanteinternet: Sådan planlægger IBM og Cisco at forbinde kvantecomputere

I denne sammenhæng kommer alliancen mellem IBM og Cisco i spil . Disse to giganter har besluttet at slå sig sammen for at designe og bygge fundamentet for et netværk af sammenkoblede, fejltolerante kvantecomputere . Deres mål er ikke kun at fremstille mere kraftfulde maskiner, men også at sætte disse maskiner i stand til at samarbejde via en kvantekommunikationsinfrastruktur, hvilket giver anledning til det, som mange allerede kalder "kvantecomputernes internet".

Qubits: hjertet i moderne kvanteberegning

For at forstå, hvorfor denne alliance er så relevant, må vi først afklare, hvad en qubit er, og hvordan den adskiller sig fra en klassisk bit . Mens traditionelle computere arbejder med bits, der kun kan være 0 eller 1, styres qubits af kvantemekanikkens regler og kan eksistere i en superposition af begge tilstande samtidigt.

Takket være denne kvantesuperposition kan en kvanteprocessor parallelt udforske en række tilstande, der vokser eksponentielt med antallet af qubits. IBM har for eksempel allerede implementeret sin Heron-processorfamilie med 133 qubits i forskellige forskningscentre rundt om i verden, hvilket viser, at denne tilgang begynder at være nyttig ud over laboratoriet.

Virksomhedens prognoser viser, at det med en processor på omkring 300 velstyrede qubits ville være muligt at løse problemer, der ville tage de mest kraftfulde klassiske supercomputere tusinder af år. Disse omfatter avanceret kemisk simulering, ekstrem økonomisk optimering og design af materialer med meget specifikke egenskaber.

Nøglen ligger dog ikke kun i at øge antallet af qubits, men også i at forbedre deres stabilitet og kvantekohærens . I årevis har den største hindring inden for kvanteberegning været præcist at opretholde kvantetilstanden længe nok til at udføre nyttige beregninger, før systemet nedbrydes på grund af støj og dekohærens.

På nuværende tidspunkt har IBM gjort betydelige fremskridt inden for kvantefejlkorrektion . Virksomheden har ikke begrænset sig til at forbedre nøjagtigheden af ​​hver enkelt qubit individuelt, men har designet ordninger, hvor flere fysiske qubits arbejder redundant for at danne mere robuste logiske qubits, der er i stand til at detektere og rette fejl i realtid. Denne udvikling er afgørende for at opnå virkelig fejltolerante maskiner.

Kvanteforvikling og netværk: hvor Cisco kommer ind på banen

Når minimalt stabil kvantehardware findes, er næste skridt at gøre det muligt for forskellige processorer at samarbejde med hinanden. Det er her, Ciscos ekspertise skinner, da de fokuserer deres forskning på det, de kalder kvantenetværk - infrastrukturer, der er i stand til at overføre kvanteinformation uden at ødelægge dens egenskaber.

Den centrale brik i dette puslespil er kvantesammenfiltring . Når to qubits sammenfiltres, er den enes tilstand knyttet til den andens, selvom de er kilometer fra hinanden. Enhver måling på en af ​​dem påvirker øjeblikkeligt dens partner. At udnytte dette fænomen er det, der gør det muligt for et distribueret kvantenetværk at fungere som et enkelt, sammenhængende logisk system.

Cisco-teams arbejder på transmissionssystemer, der opretholder denne sammenfiltring over lange afstande ved hjælp af fiberoptik . Det er ikke nok blot at genbruge den eksisterende internetinfrastruktur: det kræver udvikling af specifikke elementer som repeatere eller kvantebroer og styring af individuelle fotoner, der koder kvanteinformation med minimalt tab.

Løftet ved denne teknologi bliver meget tydeligt, når man begynder at tænke over dens anvendelser. Et robust kvantenetværk ville for eksempel give en global bank mulighed for at udføre porteføljeoptimeringsberegninger i realtid ved at fordele arbejdsbyrden mellem flere kvanteprocessorer placeret på forskellige kontinenter, alle med et sikkerhedsniveau, der er langt bedre end de nuværende systemer.

Inden for sundhed og materialevidenskab ville denne infrastruktur muliggøre molekylære simuleringer i en skala, der er utænkelig i dag, hvilket ville gøre design af komplekse lægemidler eller søgningen efter nye forbindelser med avancerede egenskaber meget hurtigere, hvad enten det drejer sig om batterier, superledere eller ultraresistente materialer.

IBM og Cisco Alliances mål: Fra milepæle til 2030

Med denne kontekst i tankerne har IBM og Cisco annonceret et langsigtet samarbejde for at lægge grundlaget for distribueret kvanteberegning. De har sigtet mod begyndelsen af ​​2030'erne, hvor de forventer at have nøglekomponenterne i et funktionelt kvanteinternet klar.

Den første store milepæl, de har sat, er en tidsramme på cirka fem år til at demonstrere et proof of concept, der forbinder flere store, fejltolerante, individuelle kvantecomputere. Ideen er, at disse maskiner vil være i stand til at udføre fælles beregninger med titusindvis eller endda hundredtusindvis af qubits , langt ud over hvad en enkelt isoleret maskine kan håndtere.

Kapacitetsmæssigt burde dette eksperimentelle netværk være i stand til at løse problemer, der involverer milliarder eller billioner af kvanteporte – det vil sige et kolossalt antal entanglement-operationer og manipulationer af kvantetilstande. Dette niveau af kompleksitet er præcis, hvad der er nødvendigt for transformative anvendelser såsom massiv optimering eller design af næste generations lægemidler.

IBM forfølger samtidig sin egen køreplan for at levere storskala, fejltolerante kvantecomputere inden udgangen af ​​dette årti. Det, de sigter mod at opnå med Cisco, er at gå et skridt videre: at sikre, at disse maskiner ikke forbliver isolerede "øer" af computerkraft, men snarere danner et distribueret kvantecomputernetværk , der forstærker deres samlede kapacitet.

I denne tilgang opfattes arkitekturen som en helhed: hardware til at forbinde kvantecomputerne , software til at koordinere beregninger fordelt mellem dem, og lag af netværksintelligens, der bestemmer, hvordan og hvornår kvanteinformation skal flyttes fra en node til en anden, hvilket maksimerer ydeevne og pålidelighed.

På mellemlang sigt sigter de to virksomheder mod at have en indledende demonstration af et distribueret kvantenetværk inden udgangen af ​​2030. Denne demonstration vil være baseret på sammenfiltring af qubits fra flere uafhængige kvantecomputere, installeret i forskellige kryogene miljøer, hvilket også tilføjer en betydelig fysikteknisk udfordring.

For at gøre dette muligt, vil det være nødvendigt at opfinde og forfine nye sammenkoblingsteknologier, såsom mikrobølgeoptiske transducere , der konverterer kvantesignaler i mikrobølgeområdet (typisk for superledende qubits) til optiske fotoner, der bevæger sig gennem fiber, og omvendt. Derudover vil det være nødvendigt med en specialiseret softwarestak, der er i stand til at orkestrere al denne strøm af kvanteinformation uden at miste kohærens .

QPU, QNU og det nye kvantedatacenter

Et af de mest interessante konceptuelle elementer i planen er definitionen af ​​to nøglekomponenter: QPU'en (Quantum Processing Unit) og QNU'en (Quantum Network Unit) . QPU'en er, forenklet sagt, selve kvanteprocessoren, hvor de stationære qubits, der udfører beregningerne, befinder sig.

QNU'en er på sin side designet som den kvantenetværksgrænseflade, der er ansvarlig for at transformere den stationære kvanteinformation fra QPU'en til det, der normalt kaldes "flyvende" kvanteinformation: tilstande, der generelt bevæger sig kodet i fotoner gennem et kommunikationsnetværk.

IBM planlægger at bygge disse kvantenetværksenheder, så de kan fungere som broer mellem flere kvantedatapu'er i et enkelt kvantedatacenter. Ciscos rolle vil være at designe et netværk, der er i stand til at distribuere sammenfiltring mellem vilkårlige par af kvantedatapu'er efter behov, afhængigt af behovene i hver algoritme eller applikation.

For at koordinere denne ressourcedynamik udvikler Cisco et højhastigheds-softwareprotokolframework , der kontinuerligt og dynamisk kan rekonfigurere netværksstier. I praksis betyder det, at kvantesammenfiltringslinks oprettes, ødelægges og omdirigeres med høj hastighed for at føde de delvise beregninger, som de forskellige kvantepu'er udfører.

Et andet område for fælles arbejde er udviklingen af ​​såkaldte "kvante-netværksbroer ", der består af næste generations hardware og open source-software. Disse broer vil bruge Cisco-netværksnoder til at forbinde et stort antal IBM QPU'er i et enkelt datacenter og senere udvide denne model til flere sammenkoblede centre.

I det scenarie er konceptet med et kvantedatacenter fuldstændig omdefineret: det handler ikke længere kun om at implementere racks med klassiske servere, men om at integrere kryostater med kvanteprocessorer, kvantedatacenter (QNU'er), optiske transducere, kvanteroutere og et blandet lag af klassisk og kvanteberegning, der arbejder på en koordineret måde.

Ud over en enkelt bygning: mod kvanteinternettet

Det er allerede en udfordring at forbinde to kvantecomputere i samme rum, men det virkelige spring fremad ligger i at transmittere qubits over større afstande , for eksempel mellem bygninger eller datacentre, der ligger kilometer fra hinanden. Det er her, optiske fotoner og den fiberoptiske infrastruktur, der allerede er implementeret globalt , kommer i spil .

IBM og Cisco vil undersøge, hvordan man kan integrere optiske foton- og mikrobølge-optiske transducerteknologier i et kvantenetværk, der kun kan bære information, når det er nødvendigt, minimere tab og opretholde sammenfiltring. Det endelige mål er at kunne udvide dette kvantenetværk by for by, land for land og i sidste ende på planetarisk skala.

I denne mulige fremtid vil det såkaldte kvantecomputerinternet ikke være begrænset til blot at forbinde kvantecomputere. Det vil også være limen, der binder ultrafølsomme kvantesensorer, kvantekommunikationssystemer og andre distribuerede enheder sammen, som deler information på afstand uden at miste fordelene ved kvantefysik.

De anvendte anvendelser er meget varierede: fra ultrasikker kommunikation (takket være kvantenøgledistributionsprotokoller, der giver dig mulighed for at vide, om nogen forsøger at spionere) til langt mere præcis miljøovervågning, der er i stand til at spore klima, vejr, seismisk aktivitet eller endda meget sarte industrielle processer i detaljer.

Alt dette åbner døren til, hvad IBM og Cisco selv beskriver som et eksponentielt større beregningsrum . Når man har mange kvantecomputere, der arbejder sammen, og man kombinerer dem med klassiske supercomputere og acceleratorer som GPU'er, får man et kvantecentreret supercomputerframework, der kan tackle problemer, der simpelthen er uløselige i dag.

Parallelt samarbejder IBM med institutioner som Center for Superconducting Quantum Materials and Systems (SQMS) , ledet af Fermilab i USA, for at undersøge, hvor mange kvantedatacentre (QNU'er), der kan fungere effektivt i disse kvantedatacentre, og hvordan man kan skalere fra et par sammenkoblede QPU'er til ti eller hundredvis i de kommende år.

Tekniske udfordringer, cybersikkerhed og en realistisk tidslinje

Selvom snakken kan lyde meget ambitiøs, er virksomhederne klar over, at der stadig er meget alvorlige tekniske forhindringer forude . Kvantestøj, dekohærens og behovet for at opretholde temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt er fortsat store begrænsninger, når det kommer til at skalere hardwaren op.

Kvanteprocessorer baseret på superledende kredsløb skal operere ved omkring -273°C , hvilket indebærer komplekse kryostater, energiforbrug og infrastrukturkrav, der er usædvanlige i traditionelle datacentre. Opskalering til arkitekturer med hundredtusindvis af fejltolerante logiske qubits er en monumental ingeniørmæssig udfordring.

På netværksniveau nødvendiggør skrøbeligheden af ​​kvanteinformation under transmission udviklingen af ​​enheder såsom kvantetransducere og repeatere med meget høj effektivitet og minimale tab. Desuden er synkronisering af kvanteoperationer mellem forskellige noder med præcision på under nanosekunder langt fra trivielt.

Der er også en betydelig mangel på modenhed i de øvre softwarelag: der er behov for kvante-routingprotokoller , såvel som orkestreringsværktøjer til at distribuere kvanteopgaver, fejlkorrektionssystemer koordineret mellem flere noder, API'er til udviklere, så de kan programmere distribuerede algoritmer uden at blive vanvittige, og så videre.

Inden for sikkerhed er der to sider af sagen. På den ene side kan tilstrækkeligt kraftige kvantecomputere bryde nuværende kryptografiske algoritmer baseret på RSA eller elliptiske kurver (ECC), hvilket bringer banktransaktioner, militær kommunikation eller følsomme medicinske data i fare. På den anden side tilbyder de samme kvanteteknikker værktøjer som kvantenøgledistribution, der muliggør teoretisk ubrydelig sikker kommunikation.

Derfor arbejder IBM, Cisco og andre aktører i branchen på post-kvantekryptografi og kvantesikkerhedsprotokoller, samtidig med at de udvikler hardwaren. Ideen er, at når kvantecomputere er i stand til at angribe nuværende sikkerhedssystemer, vil vi allerede have robuste alternativer implementeret til at imødegå denne nye type trussel.

Hvad angår tidslinjen, er estimaterne steget. For et par år siden blev det sagt, at en fuldt operationel kvantecomputer ikke ville ankomme før 2040. Nu placerer IBM praktisk kvanteberegning inden for et interval på 5 til 10 år for specifikke applikationer og markerer slutningen af ​​2030'erne som en rimelig tidsramme for et mere modent kvanteinternet.

I mellemtiden planlægger IBM-Cisco-alliancen selv at fremvise mellemliggende milepæle : først forbindelser mellem to kvantepu'er i forskellige kryosystemer; derefter netværk inden for samme datacenter; og senere forbindelser mellem datacentre. Alt dette vil blive ledsaget af medfinansiering af akademiske og samarbejdsbaserede forskningsprojekter for at fremme et bredere kvanteøkosystem.

Dette samarbejde mellem IBM og Cisco tegner et billede, hvor kvanteberegning ophører med at være et isoleret eksperiment og begynder at blive integreret som en nøglekomponent i den globale digitale infrastruktur. Hvis de formår at overvinde udfordringerne med stabilitet, fejlkorrektion, sammenkobling og sikkerhed, kan vi se fødslen af ​​et distribueret kvantenetværk i det næste årti, der er i stand til at transformere sektorer som finans, medicin, logistik og materialevidenskab, ligesom internettet for altid ændrede klassisk databehandling.

Relateret artikel:

Quantum-Safe: Udfordringen med sikkerhed i kvantecomputerens æra