Kvantni internet: ovako IBM i Cisco planiraju povezati kvantna računala

Informatec Digital » Sredstva » Kvantni internet: ovako IBM i Cisco planiraju povezati kvantna računala

U tom kontekstu, savez između IBM-a i Cisca dolazi do izražaja . Ova dva diva odlučila su udružiti snage kako bi dizajnirali i izgradili temelje mreže međusobno povezanih kvantnih računala otpornih na greške . Njihov cilj nije samo proizvodnja snažnijih strojeva, već i omogućavanje tim strojevima suradnje 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 što je kubit i kako se razlikuje od klasičnog bita . Dok tradicionalna računala rade s bitovima koji mogu biti samo 0 ili 1, kubiti su regulirani pravilima kvantne mehanike i mogu postojati u superpoziciji oba stanja istovremeno.

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

Projekcije tvrtke pokazuju da bi, s procesorom od oko 300 dobro kontroliranih kubita , bilo moguće riješiti probleme za koje bi najmoćnijim klasičnim superračunalima trebale tisuće godina. To uključuje naprednu kemijsku simulaciju, ekstremnu financijsku optimizaciju i dizajn materijala s vrlo specifičnim svojstvima.

Ključ, međutim, 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 izračuni prije nego što se sustav degradira zbog šuma i dekoherencije.

U ovom trenutku, IBM je napravio značajan napredak u kvantnoj korekciji pogrešaka . Tvrtka se nije ograničila na poboljšanje vjernosti svakog kubita pojedinačno, već je osmislila sheme u kojima više fizičkih kubita radi redundantno kako bi formirali robusnije logičke kubite, sposobne za otkrivanje i ispravljanje pogrešaka u stvarnom vremenu. Ovaj napredak ključan je za postizanje strojeva koji su istinski otporni na pogreške.

Kvantno ispreplitanje i mreže: gdje Cisco stupa na scenu

Nakon što postoji minimalno stabilan kvantni hardver, sljedeći korak je omogućiti različitim procesorima da međusobno surađuju. Tu dolazi do izražaja Ciscova stručnost, jer svoja istraživanja usmjeravaju na ono što nazivaju kvantnim mrežama - infrastrukturama sposobnim za prijenos kvantnih informacija bez uništavanja njihovih svojstava.

Središnji dio ove slagalice je kvantno ispreplitanje . Kada su dva kubita isprepletena, stanje jednog povezano je sa stanjem drugog, čak i ako su udaljeni kilometrima. Bilo koje mjerenje na jednom od njih trenutačno utječe na njegovog partnera. Iskorištavanje ovog fenomena omogućuje distribuiranoj kvantnoj mreži da funkcionira kao jedinstven, koherentan logički sustav.

Ciscovi timovi rade na prijenosnim sustavima koji održavaju ovu isprepletenost na velikim udaljenostima koristeći optička vlakna . Samo ponovno korištenje postojeće internetske infrastrukture nije dovoljno: potrebno je razviti specifične elemente poput repetitora ili kvantnih mostova i upravljati pojedinačnim fotonima koji kodiraju kvantne informacije uz minimalne gubitke.

Obećanje ove tehnologije postaje vrlo jasno kada počnete razmišljati o njezinim primjenama. Robusna kvantna mreža omogućila bi, na primjer, globalnoj banci da izvodi izračune optimizacije portfelja u stvarnom vremenu raspodjeljujući radno opterećenje među nekoliko kvantnih procesora smještenih na različitim kontinentima, a sve s razinom sigurnosti daleko superiornijom od one u trenutnim sustavima.

U područjima zdravstva i znanosti o materijalima, ova infrastruktura bi olakšala molekularne simulacije u mjerilu nezamislivom danas, čineći dizajn složenih lijekova ili potragu za novim spojevima s naprednim svojstvima mnogo bržim, bilo da se radi o baterijama, supravodičima ili ultraotpornim materijalima.

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

Imajući ovaj kontekst na umu, IBM i Cisco najavili su dugoročnu suradnju kako bi postavili temelje za distribuirano kvantno računarstvo. Cilj im 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 računala otpornih na greške. Ideja je da će ovi strojevi moći izvoditi zajedničke izračune s desecima ili čak stotinama tisuća kubita , daleko iznad onoga što jedan izolirani stroj može podnijeti.

Što se tiče kapaciteta, ova eksperimentalna mreža trebala bi biti sposobna rješavati probleme koji uključuju milijarde ili bilijune kvantnih vrata - to jest, kolosalan broj operacija preplitanja i manipulacija kvantnim stanjima. Ova razina složenosti upravo je ono što je potrebno za transformativne primjene poput masovne optimizacije ili dizajna lijekova sljedeće generacije.

IBM istovremeno provodi vlastiti plan za isporuku velikih, na greške otpornih kvantnih računala prije kraja ovog desetljeća. Ono što želi postići s Ciscom jest ići korak dalje: osigurati da ta računala ne ostanu izolirani "otoci" računalne snage, već da formiraju distribuiranu kvantnu računalnu mrežu koja pojačava njihov ukupni kapacitet.

U ovom pristupu, arhitektura je zamišljena kao cjelina: hardver za povezivanje kvantnih računala , softver za koordinaciju izračuna raspoređenih 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 tvrtke imaju za cilj imati početnu demonstraciju distribuirane kvantne mreže do kraja 2030. Ova demonstracija bit će temeljena na ispreplitanju kubita iz nekoliko neovisnih kvantnih računala, instaliranih u različitim kriogenim okruženjima, što također predstavlja značajan izazov u fizikalnom inženjerstvu.

Da bi se to omogućilo, bit će potrebno izumiti i usavršiti nove tehnologije međusobnog povezivanja, poput mikrovalnih optičkih pretvarača koji pretvaraju kvantne signale u mikrovalnom rasponu (tipično za supravodljive kubite) u optičke fotone koji putuju kroz vlakna i obrnuto. Nadalje, bit će potreban specijalizirani softverski paket sposoban orkestrirati sav taj tok kvantnih informacija bez gubitka koherencije .

QPU, QNU i novi kvantni podatkovni centar

Jedan od najzanimljivijih konceptualnih elemenata plana je definicija dviju ključnih komponenti: QPU-a (kvantne procesorske jedinice) i QNU-a (kvantne mrežne jedinice) . QPU je, jednostavno rečeno, sam kvantni procesor, gdje se nalaze stacionarni kubiti koji izvode izračune.

QNU je, sa svoje strane, dizajniran kao kvantno mrežno sučelje odgovorno za transformaciju te stacionarne kvantne informacije QPU-a u ono što se obično naziva "letećim" kvantnim informacijama: stanja koja putuju, općenito, 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 dizajnirati mrežu sposobnu distribuirati spletenost 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 putove. U praksi to znači da se veze kvantne isprepletenosti stvaraju, uništavaju i preusmjeravaju velikom brzinom kako bi se napajali djelomični izračuni koje dovršavaju 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 potpuno je redefiniran: više se ne radi samo o postavljanju rackova klasičnih poslužitelja, već o integraciji kriostata s kvantnim procesorima, QNU-ovima, optičkim pretvaračima, kvantnim usmjerivačima i mješovitim slojem klasičnog i kvantnog računarstva koji rade na koordiniran način.

Iza jedne zgrade: prema kvantnom internetu

Povezivanje dva kvantna računala unutar iste prostorije već je izazov, ali pravi korak naprijed leži u prijenosu 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 globalno .

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

U toj mogućoj budućnosti, takozvani kvantni računalni internet neće biti ograničen samo na povezivanje kvantnih računala. On će također biti ljepilo koje povezuje ultraosjetljive kvantne senzore, kvantne komunikacijske sustave 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 kvantnu distribuciju ključeva koji vam omogućuju da znate pokušava li netko špijunirati) do puno preciznijeg praćenja okoliša, sposobnog za detaljno praćenje klime, vremena, seizmičke aktivnosti ili čak vrlo osjetljivih industrijskih procesa.

Sve to otvara vrata onome što sami IBM i Cisco opisuju kao eksponencijalno veći računalni prostor . Kada imate mnogo kvantnih računala koja rade zajedno i kombinirate ih s klasičnim superračunalima i akceleratorima poput GPU-a, dobivate kvantno-centrični superračunalni okvir koji može riješiti probleme koji su danas jednostavno nerješivi.

Paralelno s tim, IBM surađuje s institucijama poput Centra za supravodljive kvantne materijale i sustave (SQMS) , kojeg vodi Fermilab u Sjedinjenim Državama, kako bi proučio koliko QNU-ova može učinkovito raditi u tim kvantnim podatkovnim centrima i kako skalirati s nekoliko međusobno povezanih QPU-ova na desetke ili stotine u nadolazećim godinama.

Tehnički izazovi, kibersigurnost i realan vremenski okvir

Iako razgovor može zvučati vrlo ambiciozno, tvrtke 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 temeljeni na supravodljivim krugovima 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 tisuća logičkih kubita otpornih na greške predstavlja monumentalni inženjerski izazov.

Na razini mreže, krhkost kvantnih informacija u tranzitu zahtijeva razvoj uređaja poput kvantnih pretvornika i repetitora s vrlo visokom učinkovitošću i minimalnim gubicima. Nadalje, sinkronizacija kvantnih operacija između različitih čvorova s ​​preciznošću ispod nanosekunde daleko je od trivijalnog.

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

U području sigurnosti postoje dvije strane medalje. S jedne strane, dovoljno snažna kvantna računala mogla bi probiti trenutne kriptografske algoritme temeljene na RSA ili eliptičnim krivuljama (ECC), ugrožavajući bankarske transakcije, vojnu komunikaciju ili osjetljive medicinske podatke. S druge strane, te iste kvantne tehnike nude alate poput kvantne distribucije ključeva koji omogućuju 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 kvantna računala budu mogla napasti trenutne sigurnosne sustave, već imati robusne alternative raspoređene za suprotstavljanje ovoj novoj vrsti prijetnje.

Što se tiče vremenskog okvira, procjene se ubrzavaju. Prije nekoliko godina govorilo se da potpuno operativno kvantno računalo neće stići prije 2040. Sada IBM smješta praktično kvantno računanje 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 međuprekretnice : prvo, veze između dva QPU-a u različitim kriogustavima; zatim, mreže unutar istog podatkovnog centra; i kasnije, veze između podatkovnih centara. Sve će to biti popraćeno sufinanciranjem akademskih i kolaborativnih istraživačkih projekata za poticanje šireg kvantnog ekosustava.

Ova suradnja između IBM-a i Cisca oslikava 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 pogrešaka, međusobnog povezivanja i sigurnosti, u sljedećem desetljeću mogli bismo vidjeti rođenje distribuirane kvantne mreže, sposobne transformirati sektore poput financija, medicine, logistike i znanosti o materijalima, baš kao što je internet zauvijek promijenio klasično računarstvo.

Povezani članak:

Kvantno sigurno: Izazov sigurnosti u eri kvantnog računalstva