Kvantum internet: Így tervezi az IBM és a Cisco a kvantumszámítógépek összekapcsolását

Informatec Digital » Erőforrás » Kvantum internet: Így tervezi az IBM és a Cisco a kvantumszámítógépek összekapcsolását

Ebben az összefüggésben kerül szóba az IBM és a Cisco közötti szövetség . Ez a két óriás úgy döntött, hogy egyesíti erőit, hogy megtervezzék és kiépítsék egy összekapcsolt, hibatűrő kvantumszámítógépekből álló hálózat alapjait . Céljuk nemcsak az, hogy nagyobb teljesítményű gépeket gyártsanak, hanem az is, hogy ezek a gépek egy kvantumkommunikációs infrastruktúra révén együttműködhessenek, létrehozva azt, amit sokan már a „kvantum-számítástechnika internetének” neveznek.

Qubitek: a modern kvantumszámítástechnika lelke

Ahhoz, hogy megértsük, miért olyan releváns ez a szövetség, először tisztáznunk kell, hogy mi a qubit, és miben különbözik a klasszikus bittől . Míg a hagyományos számítógépek olyan bitekkel dolgoznak, amelyek csak 0 vagy 1 lehetnek, a qubiteket a kvantummechanika szabályai szabályozzák, és mindkét állapot szuperpozíciójában létezhetnek egyszerre.

Ennek a kvantum-szuperpozíciónak köszönhetően egy kvantumprocesszor párhuzamosan képes számos állapotot vizsgálni, amely exponenciálisan növekszik a qubitek számával. Az IBM például már telepítette 133 qubites Heron processzorcsaládját a világ különböző kutatóközpontjaiban, bizonyítva, hogy ez a megközelítés a laboratóriumon túl is hasznosnak bizonyul.

A vállalat előrejelzései szerint egy körülbelül 300 jól kontrollált qubitből álló processzorral olyan problémák is megoldhatók lennének, amelyek a legerősebb klasszikus szuperszámítógépeknek több ezer évig tartanának. Ilyenek például a fejlett kémiai szimuláció, a szélsőséges pénzügyi optimalizálás és a nagyon specifikus tulajdonságokkal rendelkező anyagok tervezése.

A kulcs azonban nemcsak a qubitek számának növelésében rejlik, hanem stabilitásuk és kvantumkoherenciájuk javításában is . A kvantum-számítástechnika fő akadálya évek óta a kvantumállapot pontos fenntartása volt elég hosszú ideig ahhoz, hogy hasznos számításokat lehessen végezni, mielőtt a rendszer a zaj és a dekoherencia miatt lebomlana.

Ezen a ponton az IBM jelentős előrelépést tett a kvantumhiba-javításban . A vállalat nem korlátozódott az egyes qubitek pontosságának egyedi javítására, hanem olyan sémákat tervezett, amelyekben több fizikai qubit redundánsan működik együtt, hogy robusztusabb logikai qubiteket alkosson, amelyek képesek valós időben észlelni és kijavítani a hibákat. Ez a fejlesztés kulcsfontosságú a valóban hibatűrő gépek eléréséhez.

Kvantum-összefonódás és hálózatok: ahol a Cisco színre lép

Amint létezik a minimálisan stabil kvantumhardver, a következő lépés a különböző processzorok együttműködésének lehetővé tétele. Itt mutatkozik meg a Cisco szakértelme, mivel kutatásaikat az úgynevezett kvantumhálózatokra összpontosítják – olyan infrastruktúrákra, amelyek képesek kvantuminformációkat továbbítani annak tulajdonságainak tönkretétele nélkül.

A kirakós központi darabja a kvantum-összefonódás . Amikor két qubit összefonódik, az egyik állapota összefügg a másik állapotával, még akkor is, ha kilométerekre vannak egymástól. Az egyiken végzett bármilyen mérés azonnal hatással van a másikra. Ennek a jelenségnek a kihasználása teszi lehetővé, hogy az elosztott kvantumhálózat egyetlen, koherens logikai rendszerként működjön.

A Cisco csapatai olyan átviteli rendszereken dolgoznak, amelyek optikai kábelek segítségével nagy távolságokon is fenntartják ezt az összefonódást . A meglévő internetes infrastruktúra egyszerű újrafelhasználása nem elég: ehhez speciális elemeket, például ismétlőket vagy kvantumhidakat kell kifejleszteni, valamint olyan egyedi fotonokat kell kezelni, amelyek minimális veszteséggel kódolják a kvantuminformációkat.

A technológia ígérete egyértelművé válik, ha elkezdünk gondolkodni az alkalmazásain. Egy robusztus kvantumhálózat lehetővé tenné például egy globális bank számára, hogy valós időben végezzen portfólióoptimalizálási számításokat a munkaterhelés több, különböző kontinensen található kvantumprocesszor között történő elosztásával, mindezt a jelenlegi rendszerekénél jóval magasabb biztonsági szinttel.

Az egészségügy és az anyagtudomány területén ez az infrastruktúra ma elképzelhetetlen mértékben tenné lehetővé a molekuláris szimulációkat , sokkal gyorsabbá téve az összetett gyógyszerek tervezését vagy a fejlett tulajdonságokkal rendelkező új vegyületek keresését, legyen szó akkumulátorokról, szupravezetőkről vagy ultrarezisztens anyagokról.

Az IBM és a Cisco szövetség céljai: mérföldkövektől 2030-ig

Ezt a kontextust szem előtt tartva az IBM és a Cisco bejelentette hosszú távú együttműködését az elosztott kvantum-számítástechnika alapjainak lerakása érdekében. A 2030-as évek elejére tűzték ki célul, amikorra várhatóan elkészülnek a működő kvantuminternet kulcsfontosságú elemei.

Az első fontos mérföldkő, amit kitűztek, egy hozzávetőlegesen ötéves időkeret , amelynek keretében bemutatják egy koncepcióbizonyítást, amely több nagyméretű, hibatűrő, egyedi kvantumszámítógépet összekapcsol. Az elképzelés az, hogy ezek a gépek több tízezer vagy akár több százezer qubittel képesek lesznek közös számításokat végezni , ami messze meghaladja azt, amit egyetlen elszigetelt gép képes kezelni.

Kapacitás tekintetében ennek a kísérleti hálózatnak képesnek kell lennie milliárdnyi vagy billiónyi kvantumkapuval – azaz hatalmas számú összefonódási művelettel és kvantumállapot-manipulációval – kapcsolatos problémák futtatására. Ez a komplexitási szint pontosan az, amire szükség van az olyan transzformatív alkalmazásokhoz, mint a tömeges optimalizálás vagy a következő generációs gyógyszerek tervezése.

Az IBM ezzel egyidejűleg saját ütemtervét is kidolgozza nagyméretű, hibatűrő kvantumszámítógépek leszállítására még az évtized vége előtt. A Ciscoval közösen egy lépéssel tovább kívánnak menni: biztosítani, hogy ezek a gépek ne maradjanak elszigetelt számítási teljesítmény-szigetek, hanem egy elosztott kvantumszámítási hálózatot alkossanak , amely felerősíti összkapacitásukat.

Ebben a megközelítésben az architektúrát egy egységként képzelik el: hardver a kvantumszámítógépek összekapcsolására , szoftver a közöttük elosztott számítások koordinálására, valamint hálózati intelligencia rétegek, amelyek eldöntik, hogyan és mikor kell a kvantuminformációkat egyik csomópontról a másikra mozgatni, maximalizálva a teljesítményt és a megbízhatóságot.

Középtávon a két vállalat célja, hogy 2030 végére bemutathassa az elosztott kvantumhálózat első lépéseit. Ez a demó több független kvantumszámítógépből származó, különböző kriogén környezetekbe telepített qubitek összefonásán alapul majd, ami jelentős fizikai mérnöki kihívást is jelent.

Ennek megvalósításához új összekapcsolási technológiák feltalálására és finomítására lesz szükség, például mikrohullámú optikai átalakítókra, amelyek a mikrohullámú tartományban lévő kvantumjeleket (ami jellemző a szupravezető qubitekre) optikai fotonokká alakítják, amelyek a szálon haladnak, és fordítva. Továbbá egy speciális szoftververemre lesz szükség, amely képes a kvantuminformációk egészének áramlását a koherencia elvesztése nélkül megszervezni .

QPU, QNU és az új kvantumadatközpont

A terv egyik legérdekesebb koncepcionális eleme két kulcsfontosságú komponens meghatározása: a QPU (kvantumfeldolgozó egység) és a QNU (kvantumhálózati egység) . A QPU egyszerűen fogalmazva maga a kvantumprocesszor, amelyben a számításokat végző stacionárius qubitek találhatók.

A QNU a maga részéről kvantumhálózati interfészként van kialakítva , amely felelős a QPU stacionárius kvantuminformációjának az úgynevezett „repülő” kvantuminformációvá alakításáért: olyan állapotokká, amelyek általában fotonokba kódolva terjednek egy kommunikációs hálózaton keresztül.

Az IBM azt tervezi, hogy ezeket a kvantum hálózati egységeket úgy építi meg, hogy hidakként működhessenek több QPU között egyetlen kvantum adatközponton belül. A Cisco szerepe egy olyan hálózat megtervezése lesz, amely képes igény szerint elosztani az összefonódást tetszőleges QNU-párok között, az egyes algoritmusok vagy alkalmazások igényeitől függően.

Ennek az erőforrás-dinamikának a koordinálására a Cisco egy nagy sebességű szoftverprotokoll-keretrendszert fejleszt , amely folyamatosan és dinamikusan képes átkonfigurálni a hálózati útvonalakat. A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy a kvantum-összefonódási kapcsolatok nagy sebességgel jönnek létre, semmisülnek meg és irányítódnak át, hogy táplálják a különböző QPU-k által elvégzett részleges számításokat.

A közös munka egy másik területe az úgynevezett „kvantum hálózati hidak ” fejlesztése , amelyek következő generációs hardverekből és nyílt forráskódú szoftverekből állnak. Ezek a hidak Cisco hálózati csomópontokat használnak majd nagyszámú IBM QPU összekapcsolására egyetlen adatközponton belül, majd később ezt a modellt kiterjesztik több összekapcsolt központra.

Ebben a forgatókönyvben a kvantum adatközpont koncepciója teljesen újraértelmeződik: már nem csak a klasszikus szerverek rackjeinek telepítéséről van szó, hanem a kriosztátok kvantumprocesszorokkal, QNU-kkal, optikai átalakítókkal, kvantum routerekkel és a klasszikus és kvantum számítástechnika vegyes rétegével való összehangolt működéséről.

Egyetlen épületen túl: a kvantuminternet felé

Két kvantumszámítógép összekapcsolása ugyanabban a helyiségben már most is kihívást jelent, de az igazi előrelépés a qubitek nagyobb távolságokra történő átvitelében rejlik, például egymástól kilométerekre elhelyezkedő épületek vagy adatközpontok között. Itt jönnek képbe az optikai fotonok és a világszerte már kiépített optikai szálas infrastruktúra .

Az IBM és a Cisco azt vizsgálja, hogyan lehet az optikai foton és a mikrohullámú-optikai átalakító technológiákat egy olyan kvantumhálózatba integrálni, amely csak szükség esetén képes információt továbbítani, minimalizálva a veszteségeket és fenntartva az összefonódást. A végső cél az, hogy ezt a kvantumhálózatot városról városra, országról országra, és végül bolygószinten is ki lehessen terjeszteni.

Ebben a lehetséges jövőben az úgynevezett kvantum-számítástechnikai internet nem korlátozódik pusztán a kvantumszámítógépek összekapcsolására. Ez lesz az a ragasztó is, amely összeköti az ultraérzékeny kvantumérzékelőket, a kvantumkommunikációs rendszereket és más elosztott eszközöket, amelyek távolról osztják meg az információkat anélkül, hogy elveszítenék a kvantumfizika előnyeit.

A szóban forgó alkalmazások igen változatosak: az ultrabiztonságos kommunikációtól (a kvantumkulcs-elosztási protokolloknak köszönhetően, amelyek lehetővé teszik, hogy tudjuk, ha valaki kémkedni próbál) a sokkal pontosabb környezeti monitorozásig, amely képes részletesen nyomon követni az éghajlatot, az időjárást, a szeizmikus aktivitást vagy akár a nagyon érzékeny ipari folyamatokat is.

Mindez megnyitja az utat ahhoz, amit maga az IBM és a Cisco is exponenciálisan nagyobb számítási térként ír le . Amikor sok kvantumszámítógép dolgozik együtt, és ezeket klasszikus szuperszámítógépekkel és gyorsítókkal, például GPU-kkal kombináljuk, egy kvantumközpontú szuperszámítástechnikai keretrendszert kapunk, amely képes kezelni olyan problémákat, amelyek ma egyszerűen megoldhatatlanok.

Ezzel párhuzamosan az IBM olyan intézményekkel működik együtt, mint például az Egyesült Államokban a Fermilab által vezetett Center for Superconducting Quantum Materials and Systems (SQMS) , hogy megvizsgálja, hány QNU képes hatékonyan működni ezekben a kvantum adatközpontokban, és hogyan lehet néhány összekapcsolt QPU-ról több tíz vagy több százra skálázni az elkövetkező években.

Technikai kihívások, kiberbiztonság és reális ütemterv

Bár a vita igen ambiciózusnak tűnhet, a vállalatok tisztában vannak azzal, hogy még mindig komoly technikai akadályok állnak előttünk . A kvantumzaj, a dekoherencia és az abszolút nulla hőmérséklethez közeli hőmérséklet fenntartásának szükségessége továbbra is fő korlátot jelent a hardverek skálázásának terén.

A szupravezető áramkörökön alapuló kvantumprocesszoroknak körülbelül -273°C -on kell működniük , ami összetett kriosztátokat, energiafogyasztást és a hagyományos adatközpontokban szokatlan infrastrukturális követelményeket von maga után. A több százezer hibatűrő logikai qubitet tartalmazó architektúrákra való felskálázás monumentális mérnöki kihívást jelent.

Hálózati szinten az átvitt kvantuminformációk sérülékenysége szükségessé teszi olyan eszközök fejlesztését, mint a kvantum-átalakítók és -ismétlők, amelyek nagyon nagy hatásfokúak és minimális veszteségekkel rendelkeznek. Továbbá a különböző csomópontok közötti kvantumműveletek szubszekundumos pontossággal történő szinkronizálása korántsem triviális.

Jelentős hiányosságok mutatkoznak a felsőbb szoftverrétegekben is: szükség van kvantumútválasztási protokollokra , valamint a kvantumfeladatok elosztásához szükséges vezénylési eszközökre, több csomópont között koordinált hibajavító rendszerekre, API-kra, amelyekkel a fejlesztők elosztott algoritmusokat programozhatnak anélkül, hogy túlzásba esnének, és így tovább.

A biztonság terén az éremnek két oldala van. Egyrészt a kellően erős kvantumszámítógépek feltörhetnék a jelenlegi RSA-n vagy elliptikus görbéken (ECC) alapuló kriptográfiai algoritmusokat, veszélyeztetve a banki tranzakciókat, a katonai kommunikációt vagy az érzékeny orvosi adatokat. Másrészt ugyanezek a kvantumtechnikák olyan eszközöket kínálnak, mint a kvantumkulcs-elosztás, amelyek elméletileg feltörhetetlen biztonságos kommunikációt tesznek lehetővé.

Ezért az IBM, a Cisco és más iparági szereplők posztkvantum kriptográfián és kvantumbiztonsági protokollokon dolgoznak , miközben egyidejűleg fejlesztik a hardvert. Az elképzelés az, hogy mire a kvantumszámítógépek képesek lesznek megtámadni a jelenlegi biztonsági rendszereket, már robusztus alternatívákkal fogunk rendelkezni az új típusú fenyegetések ellensúlyozására.

Ami az idővonalat illeti, a becslések gyorsulnak. Néhány évvel ezelőtt azt mondták, hogy egy teljesen működőképes kvantumszámítógép 2040 előtt nem érkezik meg. Most az IBM a gyakorlati kvantumszámítástechnikát bizonyos alkalmazások esetében 5-10 évre teszi, és a 2030-as évek végét jelöli meg ésszerű időkeretként egy érettebb kvantuminternet számára.

Eközben az IBM-Cisco szövetség maga is köztes mérföldkövek bemutatását tervezi : először két különböző krioszisztémákban lévő QPU közötti kapcsolatokat; majd hálózatokat ugyanazon adatközponton belül; és később az adatközpontok közötti kapcsolatokat. Mindezt tudományos és együttműködésen alapuló kutatási projektek társfinanszírozása kíséri majd egy szélesebb kvantum-ökoszisztéma előmozdítása érdekében.

Az IBM és a Cisco közötti együttműködés olyan képet fest, amelyben a kvantum-számítástechnika megszűnik elszigetelt kísérlet lenni , és a globális digitális infrastruktúra kulcsfontosságú elemévé válik. Ha sikerül leküzdeniük a stabilitás, a hibajavítás, az összekapcsolás és a biztonság kihívásait, akkor a következő évtizedben egy elosztott kvantumhálózat születését láthatjuk, amely képes átalakítani olyan ágazatokat, mint a pénzügy, az orvostudomány, a logisztika és az anyagtudomány, ahogyan az internet örökre megváltoztatta a klasszikus számítástechnikát.

Kapcsolódó cikk:

Quantum-Safe: A biztonság kihívása a kvantumszámítástechnika korszakában