- יבמ וסיסקו איחדו כוחות כדי ליצור רשת מבוזרת של מחשבים קוונטיים עמידים בפני תקלות, ובכך להניח את היסודות לאינטרנט קוונטי עתידי.
- הפרויקט משלב מעבדים קוונטיים מתקדמים (QPUs) עם יחידות רשת קוונטיות (QNUs) ופרוטוקולי תקשורת חדשים כדי לסבך קיוביטים על פני מרחקים ארוכים.
- אבני דרך כוללות הוכחת היתכנות ראשונה מזה חמש שנים והדגמה של רשת קוונטית ניתנת להרחבה עד 2030, המחברת מרכזי נתונים מרובים.
- אם יתגברו על האתגרים הטכניים והביטחוניים, רשת זו תאפשר לטפל בבעיות אופטימיזציה, סימולציה ותקשורת מאובטחת שאינן ניתנות להשגה עבור מחשוב קלאסי.
בהקשר זה, נכנסת לתמונה הברית בין IBM לסיסקו . שתי הענקיות הללו החליטו לאחד כוחות כדי לתכנן ולבנות את היסודות של רשת של מחשבים קוונטיים מחוברים ועמידים בפני תקלות . מטרתם אינה רק לייצר מכונות חזקות יותר, אלא גם לאפשר למכונות אלו לשתף פעולה באמצעות תשתית תקשורת קוונטית, מה שיוביל למה שרבים כבר מכנים "האינטרנט של מחשוב קוונטי".
קיוביטים: לב ליבו של מחשוב קוונטי מודרני
כדי להבין מדוע ברית זו כה רלוונטית, עלינו תחילה להבהיר מהו קיוביט וכיצד הוא שונה מביט קלאסי . בעוד שמחשבים מסורתיים עובדים עם ביטים שיכולים להיות רק 0 או 1, קיוביטים נשלטים על ידי כללי מכניקת הקוונטים ויכולים להתקיים בסופרפוזיציה של שני המצבים בו זמנית.
הודות לסופרפוזיציה קוונטית זו , מעבד קוונטי יכול לחקור במקביל מספר מצבים שגדלים באופן אקספוננציאלי עם מספר הקיוביטים. IBM, לדוגמה, כבר פרסה את משפחת מעבדי ה-Heron שלה, עם 133 קיוביטים , במרכזי מחקר שונים ברחבי העולם, מה שמדגים שגישה זו מתחילה להיות שימושית מעבר למעבדה.
תחזיות החברה מצביעות על כך שעם מעבד של כ -300 קיוביטים מבוקרים היטב , ניתן יהיה לפתור בעיות שייקחו למחשבי העל הקלאסיים החזקים ביותר אלפי שנים. אלה כוללות סימולציה כימית מתקדמת, אופטימיזציה פיננסית קיצונית ותכנון חומרים בעלי תכונות ספציפיות מאוד.
המפתח, עם זאת, טמון לא רק בהגדלת מספר הקיוביטים, אלא גם בשיפור יציבותם וקוהרנטיות הקוונטית שלהם . במשך שנים, המכשול העיקרי במחשוב קוונטי היה שמירה מדויקת על מצב קוונטי מספיק זמן כדי לבצע חישובים שימושיים לפני שהמערכת מתדרדרת עקב רעש ודה-קוהרנטיות.
בשלב זה, IBM עשתה צעדים משמעותיים בתיקון שגיאות קוונטיות . החברה לא הגבילה את עצמה לשיפור האמינות של כל קיוביט בנפרד, אלא תכננה תוכניות בהן קיוביטים פיזיים מרובים פועלים בצורה יתירה כדי ליצור קיוביטים לוגיים חזקים יותר, המסוגלים לזהות ולתקן שגיאות בזמן אמת. התקדמות זו חיונית להשגת מכונות עמידות בפני תקלות באמת.
שזירה קוונטית ורשתות: המקום שבו סיסקו נכנסת לתמונה
ברגע שקיימת חומרה קוונטית בעלת יציבות מינימלית, הצעד הבא הוא לאפשר למעבדים שונים לשתף פעולה זה עם זה. כאן זורחת המומחיות של סיסקו, שכן הם ממקדים את מחקרם במה שהם מכנים רשתות קוונטיות - תשתיות המסוגלות להעביר מידע קוונטי מבלי להרוס את תכונותיו.
החלק המרכזי בפאזל הזה הוא שזירה קוונטית . כאשר שני קיוביטים שזורים, מצבו של אחד מהם מקושר למצבו של השני, גם אם הם במרחק קילומטרים זה מזה. כל מדידה על אחד מהם משפיעה באופן מיידי על בן זוגו. ניצול תופעה זו הוא המאפשר לרשת קוונטית מבוזרת לתפקד כמערכת לוגית אחת וקוהרנטית.
צוותי סיסקו עובדים על מערכות תמסורת שישמרו על הסתבכות זו למרחקים ארוכים באמצעות סיבים אופטיים . שימוש חוזר בתשתית האינטרנט הקיימת אינו מספיק: זה דורש פיתוח אלמנטים ספציפיים כמו משחזרים או גשרי קוונטים וניהול פוטונים בודדים המקודדים מידע קוונטי עם אובדן מינימלי.
ההבטחה של טכנולוגיה זו מתבהרת מאוד כשמתחילים לחשוב על היישומים שלה. רשת קוונטית חזקה תאפשר, למשל, לבנק גלובלי לבצע חישובי אופטימיזציה של תיקי השקעות בזמן אמת על ידי חלוקת עומס העבודה בין מספר מעבדים קוונטיים הממוקמים ביבשות שונות, כולם עם רמת אבטחה גבוהה בהרבה מזו של המערכות הנוכחיות.
בתחומי הבריאות ומדעי החומרים, תשתית זו תאפשר סימולציות מולקולריות בקנה מידה בלתי נתפס כיום, ותהפוך את תכנון תרופות מורכבות או את החיפוש אחר תרכובות חדשות בעלות תכונות מתקדמות למהירים הרבה יותר, בין אם עבור סוללות, מוליכי-על או חומרים עמידים במיוחד.
יעדי הברית של IBM וסיסקו: מאבני דרך עד 2030
בהקשר זה, IBM וסיסקו הכריזו על שיתוף פעולה ארוך טווח להנחת היסודות לחישוב קוונטי מבוזר. הן מכוונות לתחילת שנות ה-2030, אז הן מצפות שיהיו מוכנות המרכיבים המרכזיים של אינטרנט קוונטי פונקציונלי.
אבן הדרך העיקרית הראשונה שהם קבעו היא מסגרת זמן משוערת של חמש שנים להדגמת הוכחת היתכנות המחברת מספר מחשבים קוונטיים בודדים בקנה מידה גדול, עמידים בפני תקלות. הרעיון הוא שמכונות אלו יוכלו לבצע חישובים משותפים עם עשרות או אפילו מאות אלפי קיוביטים , הרבה מעבר למה שמכונה מבודדת אחת יכולה להתמודד איתו.
מבחינת קיבולת, רשת ניסויית זו אמורה להיות מסוגלת להריץ בעיות הכוללות מיליארדי או טריליוני שערי קוונטים - כלומר, מספר עצום של פעולות שזירה ומניפולציות של מצבים קוונטיים. רמת מורכבות זו היא בדיוק מה שנדרש ליישומים טרנספורמטיביים כמו אופטימיזציה מסיבית או תכנון תרופות מהדור הבא.
במקביל, יבמ פועלת לפיתוח מפת דרכים משלה לאספקת מחשבים קוונטיים בקנה מידה גדול ועמידים בפני תקלות לפני סוף העשור הנוכחי. מה שהיא שואפת להשיג עם סיסקו הוא ללכת צעד נוסף: להבטיח שמכונות אלו לא יישארו "איים" מבודדים של כוח מחשוב, אלא ייצרו רשת מחשוב קוונטית מבוזרת שתגביר את הקיבולת הכוללת שלהן.
בגישה זו, הארכיטקטורה נתפסת כמכלול: חומרה לחיבור מחשבי הקוונטים , תוכנה לתיאום חישובים המפוזרים ביניהם, ושכבות של אינטליגנציית רשת שמחליטות כיצד ומתי להעביר מידע קוונטי מצומת אחד לאחר, ובכך למקסם את הביצועים והאמינות.
בטווח הבינוני, שתי החברות שואפות לבצע הדגמה ראשונית של רשת קוונטית מבוזרת עד סוף 2030. הדגמה זו תתבסס על שזירת קיוביטים ממספר מחשבים קוונטיים עצמאיים, המותקנים בסביבות קריוגניות שונות, מה שמוסיף גם אתגר משמעותי בהנדסת פיזיקה.
כדי לאפשר זאת, יהיה צורך להמציא ולשפר טכנולוגיות חיבור חדשות, כגון מתמרים אופטיים במיקרוגל הממירים אותות קוונטיים בתחום המיקרוגל (אופייניים לקיוביטים מוליכי-על) לפוטונים אופטיים הנעים דרך סיבים, ולהיפך. יתר על כן, יידרש מחסנית תוכנה ייעודית המסוגלת לתזמר את כל זרימת המידע הקוונטי הזו מבלי לאבד קוהרנטיות .
QPU, QNU ומרכז הנתונים הקוונטי החדש
אחד המרכיבים הקונספטואליים המעניינים ביותר של התוכנית הוא הגדרת שני רכיבים מרכזיים: יחידת עיבוד קוונטי (QPU) ויחידת רשת קוונטית (QNU) . ה-QPU הוא, במילים פשוטות, המעבד הקוונטי עצמו, שבו נמצאים הקיוביטים הנייחים שמבצעים את החישובים.
ה-QNU, מצידה, מתוכנן כממשק רשת קוונטית האחראי על הפיכת המידע הקוונטי הנייח של ה-QPU למה שמכונה בדרך כלל מידע קוונטי "מעופף": מצבים שנעים, בדרך כלל, מקודדים בפוטונים דרך רשת תקשורת.
יבמ מתכננת לבנות יחידות רשת קוונטיות אלו כך שיוכלו לשמש כגשרים בין יחידות QPU מרובות בתוך מרכז נתונים קוונטי יחיד. תפקידה של סיסקו יהיה לתכנן רשת המסוגלת להפיץ שזירה בין זוגות שרירותיים של יחידות QNU לפי דרישה, בהתאם לצרכים של כל אלגוריתם או יישום.
כדי לתאם את דינמיקת המשאבים הזו, סיסקו מפתחת מסגרת פרוטוקול תוכנה במהירות גבוהה שיכולה להגדיר מחדש נתיבי רשת באופן רציף ודינמי. בפועל, משמעות הדבר היא שקישורי שזירה קוונטית נוצרים, מושמדים ומופנים מחדש במהירות גבוהה כדי להזין את החישובים החלקיים שיחידות ה-QPU השונות משלימות.
תחום נוסף של עבודה משותפת הוא פיתוח של מה שנקרא "גשרי רשת קוונטית ", המורכבים מחומרה מהדור הבא ותוכנה בקוד פתוח. גשרים אלה ישתמשו בצמתי רשת של סיסקו כדי לחבר מספר רב של יחידות קוונטיות קוונטיות של IBM במרכז נתונים יחיד, ובהמשך ירחיבו מודל זה למרכזים מרובים המחוברים זה לזה.
בתרחיש זה, מושג מרכז הנתונים הקוונטי מוגדר מחדש לחלוטין: הוא כבר לא עוסק רק בפריסת ארונות של שרתים קלאסיים, אלא בשילוב קריוסטטים עם מעבדים קוונטיים, יחידות QNU, מתמרים אופטיים, נתבים קוונטיים ושכבה מעורבת של מחשוב קלאסי וקוונטי הפועלים בצורה מתואמת.
מעבר לבניין בודד: לקראת האינטרנט הקוונטי
חיבור שני מחשבים קוונטיים באותו חדר הוא כבר אתגר, אך הקפיצה האמיתית קדימה טמונה בהעברת קיוביטים על פני מרחקים גדולים יותר , למשל, בין בניינים או מרכזי נתונים הממוקמים קילומטרים זה מזה. כאן נכנסים לתמונה פוטונים אופטיים ותשתית הסיבים האופטיים שכבר פרוסה ברחבי העולם .
יבמ וסיסקו יחקרו כיצד לשלב טכנולוגיות פוטונים אופטיים ומתמרים אופטיים-מיקרוגליים ברשת קוונטית שיכולה לשאת מידע רק בעת הצורך, תוך מזעור הפסדים ושמירה על שזירה. המטרה הסופית היא להיות מסוגלים להרחיב את הרשת הקוונטית הזו עיר אחר עיר, מדינה אחר מדינה, ובסופו של דבר, בקנה מידה פלנטרי.
בעתיד האפשרי הזה, מה שנקרא אינטרנט מחשוב קוונטי לא יוגבל רק לחיבור מחשבים קוונטיים. הוא גם יהיה הדבק שיחבר יחד חיישנים קוונטיים רגישים במיוחד, מערכות תקשורת קוונטית ומכשירים מבוזרים אחרים שחולקים מידע מרחוק מבלי לאבד את היתרונות של פיזיקת הקוונטים.
היישומים הנבחנים מגוונים מאוד: החל מתקשורת מאובטחת במיוחד (הודות לפרוטוקולי הפצת מפתחות קוונטיים המאפשרים לדעת אם מישהו מנסה לרגל) ועד לניטור סביבתי מדויק הרבה יותר, המסוגל לעקוב בפירוט אחר האקלים, מזג האוויר, הפעילות הסייסמית או אפילו תהליכים תעשייתיים עדינים מאוד.
כל זה פותח את הדלת למה ש-IBM וסיסקו עצמן מתארות כמרחב חישובי גדול באופן אקספוננציאלי . כאשר יש לך מחשבים קוונטיים רבים שעובדים יחד, ומשלבים אותם עם מחשבי-על קלאסיים ומאיצים כמו GPU, אתה מקבל מסגרת חישובית קוונטית-מרכזית שיכולה להתמודד עם בעיות שהן פשוט בלתי פתירות כיום.
במקביל, IBM משתפת פעולה עם מוסדות כמו המרכז לחומרים ומערכות קוונטיים מוליכים-על (SQMS) , בראשות Fermilab בארצות הברית, כדי לחקור כמה מרכזי נתונים קוונטיים (QNUs) יכולים לפעול ביעילות במרכזי נתונים קוונטיים אלה וכיצד להרחיב את הפיתוח ממספר מצומצם של מרכזי נתונים קוונטיים מחוברים לעשרות או מאות בשנים הקרובות.
אתגרים טכניים, אבטחת סייבר וציר זמן ריאלי
למרות שהדיבורים עשויים להישמע שאפתניים מאוד, החברות מודעות לכך שעדיין צפויים מכשולים טכניים רציניים מאוד . רעש קוונטי, דה-קוהרנטיות והצורך לשמור על טמפרטורות קרוב לאפס המוחלט נותרו מגבלות משמעותיות בכל הנוגע להרחבת החומרה.
מעבדים קוונטיים המבוססים על מעגלים מוליכי-על צריכים לפעול בטמפרטורה של כ -273°C- , מה שמרמז על קריוסטטים מורכבים, צריכת אנרגיה ודרישות תשתית שאינן נפוצות במרכזי נתונים מסורתיים. הרחבה לארכיטקטורות עם מאות אלפי קיוביטים לוגיים עמידים בפני תקלות היא אתגר הנדסי אדיר.
ברמת הרשת, שבריריותו של מידע קוונטי במעבר מחייבת פיתוח של התקנים כגון מתמרים קוונטיים ומשחזרים בעלי יעילות גבוהה מאוד והפסדים מינימליים. יתר על כן, סנכרון פעולות קוונטיות בין צמתים שונים בדיוק של פחות מ-nano-second רחוק מלהיות טריוויאלי.
יש גם חוסר משמעותי בבגרות בשכבות התוכנה העליונות: יש צורך בפרוטוקולי ניתוב קוונטיים , כמו גם כלי תזמור להפצת משימות קוונטיות, מערכות תיקון שגיאות המתואמות בין צמתים מרובים, ממשקי API למפתחים לתכנת אלגוריתמים מבוזרים מבלי להשתגע, וכן הלאה.
בתחום האבטחה, יש שני צדדים למטבע. מצד אחד, מחשבים קוונטיים חזקים מספיק עלולים לשבור אלגוריתמים קריפטוגרפיים קיימים המבוססים על RSA או עקומות אליפטיות (ECC), ולסכן עסקאות בנקאיות, תקשורת צבאית או נתונים רפואיים רגישים. מצד שני, אותן טכניקות קוונטיות מציעות כלים כמו חלוקת מפתחות קוונטית המאפשרים תקשורת מאובטחת בלתי ניתנת לשבירה תיאורטית.
זו הסיבה ש-IBM, סיסקו וגורמים אחרים בתעשייה עובדים על קריפטוגרפיה פוסט-קוונטית ופרוטוקולי אבטחה קוונטיים, ובמקביל מפתחים את החומרה. הרעיון הוא שעד שמחשבים קוונטיים יוכלו לתקוף מערכות אבטחה קיימות, כבר יהיו לנו חלופות חזקות שייפרסו כדי להתמודד עם סוג חדש זה של איום.
באשר לציר הזמן, ההערכות הן בעלות קצב צמיחה מואץ. לפני מספר שנים נאמר כי מחשב קוונטי פעיל במלואו לא יגיע לפני 2040. כעת, IBM מציבה את המחשוב הקוונטי המעשי בטווח של 5 עד 10 שנים עבור יישומים ספציפיים, ומסמנת את סוף שנות ה-2030 כמסגרת זמן סבירה לאינטרנט קוונטי בוגר יותר.
בינתיים, הברית בין IBM לסיסקו מתכננת להציג אבני דרך ביניים : ראשית, חיבורים בין שני יחידות קוונטיות (QPU) במערכות קריוגניות שונות; לאחר מכן, רשתות בתוך אותו מרכז נתונים; ומאוחר יותר, חיבורים בין מרכזי נתונים. כל זה ילווה במימון משותף של פרויקטים אקדמיים ושיתופי מחקר לטיפוח מערכת אקולוגית קוונטית רחבה יותר.
שיתוף הפעולה הזה בין IBM לסיסקו מצייר תמונה שבה מחשוב קוונטי מפסיק להיות ניסוי מבודד ומתחיל להשתלב כמרכיב מפתח בתשתית הדיגיטלית הגלובלית. אם יצליחו להתגבר על אתגרי היציבות, תיקון השגיאות, הקישוריות והאבטחה, נוכל לראות את לידתה של רשת קוונטית מבוזרת בעשור הקרוב, המסוגלת לשנות מגזרים כמו פיננסים, רפואה, לוגיסטיקה ומדעי החומרים, בדיוק כפי שהאינטרנט שינה לנצח את המחשוב הקלאסי.
