- IBM ja Cisco ovat yhdistäneet voimansa luodakseen hajautetun vikasietoisten kvanttitietokoneiden verkon, joka luo pohjan tulevaisuuden kvantti-internetille.
- Projektissa yhdistetään edistyneitä kvanttiprosessoreita (QPU) kvanttiverkkoyksiköihin (QNU) ja uusiin tietoliikenneprotokolliin kubitien sitomiseksi pitkien etäisyyksien päähän.
- Merkittäviin virstanpylväisiin kuuluvat ensimmäinen konseptitodistus viiteen vuoteen ja skaalautuvan kvanttiverkon demonstraatio vuoteen 2030 mennessä, joka yhdistää useita datakeskuksia.
- Jos tekniset ja turvallisuushaasteet voitetaan, tämä verkko mahdollistaa optimointiin, simulointiin ja turvalliseen viestintään liittyvien ongelmien ratkaisemisen, jotka eivät ole saavutettavissa klassiselle laskennalle.
Tässä yhteydessä IBM:n ja Ciscon välinen liittouma astuu kuvaan . Nämä kaksi jättiläistä ovat päättäneet yhdistää voimansa suunnitellakseen ja rakentaakseen yhteenliitettyjen, vikasietoisten kvanttitietokoneiden verkoston perustan . Heidän tavoitteenaan ei ole ainoastaan valmistaa tehokkaampia koneita, vaan myös mahdollistaa näiden koneiden yhteistyö kvanttitietoliikenneinfrastruktuurin kautta, mikä synnyttää sen, mitä monet jo kutsuvat "kvanttilaskennan internetiksi".
Kubitit: modernin kvanttilaskennan ydin
Ymmärtääksemme, miksi tämä liittouma on niin tärkeä, meidän on ensin selvennettävä, mikä kubitti on ja miten se eroaa klassisesta bitistä . Perinteiset tietokoneet työskentelevät bittien kanssa, jotka voivat olla vain 0 tai 1, kun taas kubitteja hallitsevat kvanttimekaniikan säännöt ja ne voivat esiintyä molempien tilojen superpositiossa samanaikaisesti.
Tämän kvanttisuperposition ansiosta kvanttiprosessori voi tutkia rinnakkain useita tiloja, jotka kasvavat eksponentiaalisesti kubitien määrän myötä. Esimerkiksi IBM on jo ottanut käyttöön 133 kubitin Heron-prosessoriperheensä useissa tutkimuskeskuksissa ympäri maailmaa, mikä osoittaa, että tästä lähestymistavasta alkaa olla hyötyä laboratorion ulkopuolellakin.
Yrityksen ennusteiden mukaan noin 300 hyvin hallitun kubitin prosessorilla olisi mahdollista ratkaista ongelmia, joiden ratkaiseminen tehokkaimmilta klassisilta supertietokoneilta veisi tuhansia vuosia. Näitä ovat edistynyt kemiallinen simulointi, äärimmäinen taloudellinen optimointi ja erittäin spesifisten ominaisuuksien omaavien materiaalien suunnittelu.
Avain ei kuitenkaan ole pelkästään kubitien määrän lisäämisessä, vaan myös niiden vakauden ja kvanttikoherenssin parantamisessa . Vuosien ajan kvanttilaskennan suurin este on ollut kvanttitilan tarkka ylläpitäminen riittävän kauan hyödyllisten laskelmien suorittamiseksi ennen kuin järjestelmä heikkenee kohinan ja dekoherenssin vuoksi.
Tässä vaiheessa IBM on ottanut merkittäviä edistysaskeleita kvanttivirheiden korjauksessa . Yritys ei ole rajoittunut kunkin kubitin tarkkuuden parantamiseen erikseen, vaan on suunnitellut järjestelmiä, joissa useat fyysiset kubitit toimivat redundanttisesti muodostaen vankempia loogisia kubitteja, jotka pystyvät havaitsemaan ja korjaamaan virheitä reaaliajassa. Tämä edistysaskel on ratkaisevan tärkeä todella vikasietoisten koneiden saavuttamiseksi.
Kvanttilomittuminen ja verkostot: missä Cisco astuu kuvaan
Kun minimaalisesti stabiili kvanttilaitteisto on olemassa, seuraava askel on mahdollistaa eri prosessoreiden yhteistyö. Tässä Ciscon asiantuntemus loistaa, sillä he keskittävät tutkimuksensa niin sanottuihin kvanttiverkkoihin – infrastruktuureihin, jotka kykenevät siirtämään kvantti-informaatiota tuhoamatta sen ominaisuuksia.
Tämän palapelin keskeinen osa on kvanttilomittuminen . Kun kaksi kubittia lomittuvat toisiinsa, toisen tila on yhteydessä toisen tilaan, vaikka ne olisivat kilometrien päässä toisistaan. Mikä tahansa mittaus toisesta vaikuttaa välittömästi sen kumppaniin. Tämän ilmiön valjastaminen mahdollistaa hajautetun kvanttiverkon toiminnan yhtenä yhtenäisenä loogisena järjestelmänä.
Ciscon tiimit työskentelevät siirtojärjestelmien parissa, jotka ylläpitävät tätä kietoutumista pitkien matkojen yli valokuitujen avulla . Pelkkä olemassa olevan internet-infrastruktuurin uudelleenkäyttö ei riitä: se edellyttää erityisten elementtien, kuten toistimien tai kvanttisiltojen, kehittämistä ja yksittäisten fotonien hallintaa, jotka koodaavat kvantti-informaatiota mahdollisimman pienellä häviöllä.
Tämän teknologian lupaus käy hyvin selväksi, kun alkaa miettiä sen sovelluksia. Vankka kvanttiverkko mahdollistaisi esimerkiksi globaalin pankin suorittaa salkun optimointilaskelmia reaaliajassa jakamalla työmäärän useiden eri mantereilla sijaitsevien kvanttiprosessorien kesken, ja kaikkien tietoturvataso olisi huomattavasti parempi kuin nykyisissä järjestelmissä.
Terveydenhuollon ja materiaalitieteen aloilla tämä infrastruktuuri mahdollistaisi molekyylisimulaatioita mittakaavassa , joka on tänään käsittämätön, mikä tekisi monimutkaisten lääkkeiden suunnittelusta tai uusien, edistyneiden ominaisuuksien omaavien yhdisteiden etsimisestä paljon nopeampaa, olipa kyseessä sitten akut, suprajohteet tai erittäin kestävät materiaalit.
IBM:n ja Ciscon allianssin tavoitteet: virstanpylväistä vuoteen 2030
Tämän kontekstin huomioon ottaen IBM ja Cisco ovat ilmoittaneet pitkäaikaisesta yhteistyöstä hajautetun kvanttilaskennan perustan luomiseksi. He ovat asettaneet tähtäimeensä 2030-luvun alkupuolen, johon mennessä heidän odotetaan saavan toimivan kvantti-internetin keskeiset komponentit valmiiksi.
Ensimmäinen merkittävä virstanpylväs, jonka he ovat asettaneet, on noin viiden vuoden aikataulu , jossa demonstroidaan konseptin toimivuus, joka yhdistää useita laajamittaisia, vikasietoisia ja yksittäisiä kvanttitietokoneita. Ajatuksena on, että nämä koneet pystyvät suorittamaan yhteislaskutoimituksia kymmenillä tai jopa sadoilla tuhansilla kubiteilla , mikä on paljon enemmän kuin mitä yksittäinen erillinen kone pystyy käsittelemään.
Kapasiteetin suhteen tämän kokeellisen verkon pitäisi pystyä suorittamaan ongelmia, joihin liittyy miljardeja tai biljoonia kvanttiportteja – eli valtava määrä kvanttitilojen lomittumisoperaatioita ja manipulaatioita. Tämä monimutkaisuuden taso on juuri sitä, mitä tarvitaan transformatiivisissa sovelluksissa, kuten massiivisessa optimoinnissa tai seuraavan sukupolven lääkkeiden suunnittelussa.
IBM pyrkii samanaikaisesti laatimaan omaa tiekarttaansa laajamittaisten, vikasietoisten kvanttitietokoneiden toimittamiseksi ennen tämän vuosikymmenen loppua. Ciscon kanssa se pyrkii menemään askeleen pidemmälle: varmistamaan, että nämä koneet eivät jää eristyneiksi laskentatehon "saarekkeiksi", vaan muodostavat hajautetun kvanttilaskentaverkon , joka vahvistaa niiden kokonaiskapasiteettia.
Tässä lähestymistavassa arkkitehtuuri suunnitellaan kokonaisuutena: laitteisto kvanttitietokoneiden yhdistämiseksi , ohjelmisto niiden kesken hajautettujen laskelmien koordinoimiseksi ja verkon älykkyyden kerrokset, jotka päättävät, miten ja milloin kvanttitietoa siirretään solmusta toiseen, maksimoiden suorituskyvyn ja luotettavuuden.
Keskipitkällä aikavälillä yritykset pyrkivät esittelemään hajautetun kvanttiverkon alustavasti vuoden 2030 loppuun mennessä. Demo perustuu useiden itsenäisten kvanttitietokoneiden kubitien lomittelemiseen eri kryogeenisiin ympäristöihin, mikä lisää myös merkittävää fysiikkatekniikan haastetta.
Tämän mahdollistamiseksi on keksittävä ja jalostettava uusia yhteenliitäntäteknologioita, kuten mikroaaltooptisia muuntimia , jotka muuntavat mikroaaltoalueen kvanttisignaaleja (tyypillisiä suprajohtaville kubiteille) kuidun läpi kulkeviksi optisiksi fotoneiksi ja päinvastoin. Lisäksi tarvitaan erikoistunut ohjelmistopino, joka pystyy orkestroimaan kaiken tämän kvantti-informaation kulun menettämättä koherenssia .
QPU, QNU ja uusi kvanttitietokeskus
Yksi suunnitelman mielenkiintoisimmista käsitteellisistä elementeistä on kahden keskeisen komponentin määrittely: QPU (Quantum Processing Unit) ja QNU (Quantum Network Unit) . QPU on yksinkertaisesti sanottuna itse kvanttiprosessori, jossa sijaitsevat laskelmat suorittavat stationaariset kubitit.
QNU puolestaan on suunniteltu kvanttiverkkorajapinnaksi, joka vastaa QPU:n stationäärisen kvantti-informaation muuntamisesta niin sanotuksi "lentäväksi" kvantti-informaatioksi: tiloiksi, jotka kulkevat yleensä fotoneina koodattuina tietoliikenneverkon kautta.
IBM aikoo rakentaa näitä kvanttiverkkoyksiköitä, jotta ne voivat toimia siltoina useiden kvanttitietokeskuksen sisällä olevien QPU:iden välillä . Ciscon tehtävänä on suunnitella verkko, joka pystyy jakamaan lomittumisen mielivaltaisten QNU-parien välillä tarvittaessa kunkin algoritmin tai sovelluksen tarpeiden mukaan.
Tämän resurssidynamiikan koordinoimiseksi Cisco kehittää nopeaa ohjelmistoprotokollakehystä , joka pystyy jatkuvasti ja dynaamisesti uudelleenkonfiguroimaan verkkopolkuja. Käytännössä tämä tarkoittaa, että kvanttilomittumislinkkejä luodaan, tuhotaan ja uudelleenohjataan suurella nopeudella eri QPU:iden suorittamien osittaisten laskelmien suorittamiseksi.
Toinen yhteistyöalue on niin sanottujen "kvanttiverkkosiltojen " kehittäminen, jotka koostuvat seuraavan sukupolven laitteistosta ja avoimen lähdekoodin ohjelmistoista. Nämä sillat käyttävät Ciscon verkkosolmuja yhdistääkseen suuren määrän IBM:n QPU:ita yhden datakeskuksen sisällä ja laajentavat tätä mallia myöhemmin useisiin toisiinsa kytkettyihin keskuksiin.
Tässä skenaariossa kvanttidatakeskuksen käsite määritellään täysin uudelleen: kyse ei ole enää vain klassisten palvelimien räkkien käyttöönotosta, vaan kryostaattien integroinnista kvanttiprosessoreihin, kvanttiyksiköihin, optisiin muuntimiin, kvanttireitittimiin ja klassisen ja kvanttilaskennan sekatasoon, jotka toimivat koordinoidusti.
Yhden rakennuksen tuolle puolen: kohti kvantti-internetiä
Kahden kvanttitietokoneen yhdistäminen samaan huoneeseen on jo haaste, mutta todellinen harppaus eteenpäin on kubitien siirtämisessä pidempiä matkoja , esimerkiksi kilometrien päässä toisistaan sijaitsevien rakennusten tai datakeskusten välillä. Tässä kohtaa optiset fotonit ja maailmanlaajuisesti jo käytössä oleva valokuituinfrastruktuuri tulevat mukaan kuvaan .
IBM ja Cisco tutkivat, miten optiset fotoni- ja mikroaalto-optiset muunninteknologiat voidaan integroida kvanttiverkkoon, joka pystyy siirtämään tietoa vain tarvittaessa, minimoimalla häviöt ja säilyttäen lomittumisen. Perimmäisenä tavoitteena on laajentaa tätä kvanttiverkkoa kaupunki kaupungilta, maa maalta ja lopulta planeetan mittakaavassa.
Tässä mahdollisessa tulevaisuudessa niin kutsuttu kvanttilaskennan internet ei rajoitu pelkästään kvanttitietokoneiden yhdistämiseen. Se toimii myös liimana, joka sitoo yhteen ultraherkät kvanttianturit, kvanttikommunikaatiojärjestelmät ja muut hajautetut laitteet, jotka jakavat tietoa etänä menettämättä kvanttifysiikan etuja.
Tarkasteltavat sovellukset ovat hyvin vaihtelevia: erittäin turvallisesta viestinnästä (kvanttiavaimen jakeluprotokollien ansiosta, joiden avulla voit tietää, jos joku yrittää vakoilla) paljon tarkempaan ympäristön seurantaan, joka pystyy seuraamaan yksityiskohtaisesti ilmastoa, säätä, seismistä toimintaa tai jopa erittäin herkkiä teollisia prosesseja.
Kaikki tämä avaa oven sille, mitä IBM ja Cisco itse kuvailevat eksponentiaalisesti suuremmaksi laskenta-alueeksi . Kun useita kvanttitietokoneita työskentelee yhdessä ja ne yhdistetään klassisiin supertietokoneisiin ja kiihdyttimiin, kuten näytönohjaimiin, saadaan kvanttikeskeinen supertietokonekehys, joka pystyy ratkaisemaan ongelmia, jotka ovat nykyään yksinkertaisesti ratkaisemattomia.
IBM tekee samaan aikaan yhteistyötä yhdysvaltalaisen Fermilabin johtaman Center for Superconducting Quantum Materials and Systems (SQMS) -keskuksen kanssa selvittääkseen, kuinka monta kvanttitietoyksikköä (QNU) voi toimia tehokkaasti näissä kvanttidatakeskuksissa ja miten skaalata muutamasta toisiinsa kytketystä QPU: sta kymmeniin tai satoihin tulevina vuosina.
Tekniset haasteet, kyberturvallisuus ja realistinen aikataulu
Vaikka puhe saattaa kuulostaa erittäin kunnianhimoiselta, yritykset ovat tietoisia siitä, että edessä on vielä erittäin vakavia teknisiä esteitä . Kvanttukohina, dekoherenssi ja tarve pitää lämpötilat lähellä absoluuttista nollapistettä ovat edelleen merkittäviä rajoituksia laitteiston skaalauksessa.
Suprajohtaviin piireihin perustuvien kvanttiprosessoreiden on toimittava noin -273 °C:n lämpötilassa , mikä edellyttää monimutkaisia kryostaatteja, energiankulutusta ja infrastruktuurivaatimuksia, jotka ovat epätavallisia perinteisissä datakeskuksissa. Skaalaus arkkitehtuureihin, joissa on satoja tuhansia vikasietoisia loogisia kubitteja, on valtava tekninen haaste.
Verkkotasolla kvantti-informaation hauraus siirron aikana edellyttää sellaisten laitteiden kehittämistä kuin kvanttimuuntimet ja -toistimet, joilla on erittäin korkea hyötysuhde ja minimaaliset häviöt. Lisäksi kvanttioperaatioiden synkronointi eri solmujen välillä alle nanosekunnin tarkkuudella on kaikkea muuta kuin triviaalia.
Myös ylemmissä ohjelmistokerroksissa on merkittävää kypsyyden puutetta: tarvitaan kvanttireititysprotokollia sekä orkestrointityökaluja kvanttitehtävien jakamiseen, useiden solmujen välillä koordinoituja virheenkorjausjärjestelmiä, API-rajapintoja, joiden avulla kehittäjät voivat ohjelmoida hajautettuja algoritmeja menemättä hulluksi, ja niin edelleen.
Turvallisuuden saralla kolikolla on kaksi puolta. Toisaalta riittävän tehokkaat kvanttitietokoneet voisivat murtaa nykyiset RSA:han tai elliptisiin käyriin (ECC) perustuvat kryptografiset algoritmit ja vaarantaa pankkitapahtumia, sotilasviestintää tai arkaluonteisia lääketieteellisiä tietoja. Toisaalta samat kvanttitekniikat tarjoavat työkaluja, kuten kvanttiavainten jakelun, jotka mahdollistavat teoreettisesti murtamattoman turvallisen viestinnän.
Siksi IBM, Cisco ja muut alan toimijat työskentelevät postkvanttikryptografian ja kvanttitietoturvaprotokollien parissa samalla kehittäen laitteistoa. Ajatuksena on, että siihen mennessä, kun kvanttitietokoneet pystyvät hyökkäämään nykyisiä tietoturvajärjestelmiä vastaan, meillä on jo käytössä vankkoja vaihtoehtoja tämän uudentyyppisen uhan torjumiseksi.
Aikataulun osalta arviot ovat kiihtyneet. Muutama vuosi sitten sanottiin, että täysin toimiva kvanttitietokone ei saapuisi ennen vuotta 2040. Nyt IBM arvioi käytännön kvanttilaskennan toteutumisen 5–10 vuoden päähän tietyissä sovelluksissa ja pitää 2030-luvun loppua kohtuullisena aikajanana kypsemmälle kvantti-internetille.
Samaan aikaan IBM-Cisco-allianssi aikoo itse esitellä välivaiheen virstanpylväitä : ensin kahden eri kryosysteemeissä olevan QPU:n väliset yhteydet; sitten verkot saman datakeskuksen sisällä; ja myöhemmin yhteydet datakeskusten välillä. Kaikkeen tähän liittyy akateemisten ja yhteistyöhön perustuvien tutkimushankkeiden yhteisrahoitus laajemman kvanttiekosysteemin edistämiseksi.
Tämä IBM:n ja Ciscon yhteistyö maalaa kuvan, jossa kvanttilaskenta lakkaa olemasta erillinen kokeilu ja siitä aletaan integroitua keskeiseksi osaksi globaalia digitaalista infrastruktuuria. Jos he onnistuvat voittamaan vakauden, virheenkorjauksen, yhteenliitettävyyden ja turvallisuuden haasteet, voimme nähdä hajautetun kvanttiverkon syntymisen seuraavan vuosikymmenen aikana. Se kykenee mullistamaan esimerkiksi rahoitus-, lääketiede-, logistiikka- ja materiaalitieteen aloja, aivan kuten internet muutti klassisen laskennan pysyvästi.
Indeksi
- 1 Kubitit: modernin kvanttilaskennan ydin
- 2 Kvanttilomittuminen ja verkostot: missä Cisco astuu kuvaan
- 3 IBM:n ja Ciscon allianssin tavoitteet: virstanpylväistä vuoteen 2030
- 4 QPU, QNU ja uusi kvanttitietokeskus
- 5 Yhden rakennuksen tuolle puolen: kohti kvantti-internetiä
- 6 Tekniset haasteet, kyberturvallisuus ja realistinen aikataulu