- IBM un Cisco ir apvienojuši spēkus, lai izveidotu izkliedētu kļūdu tolerantu kvantu datoru tīklu, liekot pamatus nākotnes kvantu internetam.
- Projekts apvieno progresīvus kvantu procesorus (QPU) ar kvantu tīkla vienībām (QNU) un jauniem komunikācijas protokoliem, lai savienotu kubitus lielos attālumos.
- Starp sasniegumiem ir pirmais koncepcijas pierādījums piecu gadu laikā un mērogojama kvantu tīkla demonstrācija līdz 2030. gadam, kas savienos vairākus datu centrus.
- Ja tehniskās un drošības problēmas tiks pārvarētas, šis tīkls ļaus risināt optimizācijas, simulācijas un drošas komunikācijas problēmas, kas nav sasniedzamas klasiskajai skaitļošanai.
Šajā kontekstā spēlē lomu IBM un Cisco alianse . Šie divi giganti ir nolēmuši apvienot spēkus, lai izstrādātu un izveidotu savstarpēji savienotu, pret kļūmēm izturīgu kvantu datoru tīkla pamatus . Viņu mērķis ir ne tikai ražot jaudīgākas mašīnas, bet arī nodrošināt šo mašīnu sadarbību, izmantojot kvantu sakaru infrastruktūru, radot to, ko daudzi jau dēvē par "kvantu skaitļošanas internetu".
Kubiti: mūsdienu kvantu skaitļošanas sirds
Lai saprastu, kāpēc šī alianse ir tik nozīmīga, mums vispirms jānoskaidro, kas ir kubits un kā tas atšķiras no klasiskā bita . Kamēr tradicionālie datori strādā ar bitiem, kas var būt tikai 0 vai 1, kubitus regulē kvantu mehānikas noteikumi, un tie var pastāvēt abu stāvokļu superpozīcijā vienlaicīgi.
Pateicoties šai kvantu superpozīcijai , kvantu procesors var paralēli izpētīt vairākus stāvokļus, kas eksponenciāli pieaug līdz ar kubitu skaitu. Piemēram, IBM jau ir izvietojis savu Heron procesoru saimi ar 133 kubitiem dažādos pētniecības centros visā pasaulē, pierādot, ka šī pieeja sāk būt noderīga arī ārpus laboratorijas.
Uzņēmuma prognozes liecina, ka ar aptuveni 300 labi kontrolētu kubitu procesoru būtu iespējams atrisināt problēmas, kuru risināšanai jaudīgākajiem klasiskajiem superdatoriem būtu nepieciešami tūkstošiem gadu. Tās ietver progresīvu ķīmisko simulāciju, ekstremālu finanšu optimizāciju un materiālu ar ļoti specifiskām īpašībām izstrādi.
Tomēr galvenais ir ne tikai kubitu skaita palielināšanā, bet arī to stabilitātes un kvantu koherences uzlabošanā . Gadiem ilgi galvenais šķērslis kvantu skaitļošanā ir bijusi precīza kvantu stāvokļa saglabāšana pietiekami ilgi, lai veiktu noderīgus aprēķinus, pirms sistēma degradējas trokšņa un dekoherences dēļ.
Šajā brīdī IBM ir spēris ievērojamus soļus kvantu kļūdu labošanā . Uzņēmums nav aprobežojies tikai ar katra kubita precizitātes uzlabošanu atsevišķi, bet ir izstrādājis shēmas, kurās vairāki fiziski kubiti darbojas redundanti, veidojot robustākus loģiskos kubitus, kas spēj noteikt un labot kļūdas reāllaikā. Šis sasniegums ir ļoti svarīgs, lai panāktu patiesi kļūdu tolerantu mašīnu darbību.
Kvantu sapīšanās un tīkli: kur Cisco ienāk arēnā
Kad būs izveidota minimāli stabila kvantu aparatūra, nākamais solis ir nodrošināt dažādu procesoru savstarpēju sadarbību. Šeit izpaužas Cisco zināšanas, jo viņi savus pētījumus koncentrē uz to, ko viņi sauc par kvantu tīkliem — infrastruktūrām, kas spēj pārraidīt kvantu informāciju, neiznīcinot tās īpašības.
Šīs mīklas centrālā daļa ir kvantu sapīšanās . Kad divi kubiti ir sapīti, viena kubita stāvoklis ir saistīts ar otra kubita stāvokli, pat ja tie atrodas kilometru attālumā viens no otra. Jebkurš mērījums vienā no tiem nekavējoties ietekmē tā partneri. Šīs parādības izmantošana ļauj izkliedētajam kvantu tīklam darboties kā vienotai, saskaņotai loģiskai sistēmai.
Cisco komandas strādā pie pārraides sistēmām, kas uztur šo sapīšanos lielos attālumos, izmantojot optiskās šķiedras . Vienkārša esošās interneta infrastruktūras atkārtota izmantošana nav pietiekama: ir nepieciešams izstrādāt specifiskus elementus, piemēram, atkārtotājus vai kvantu tiltus, un pārvaldīt atsevišķus fotonus, kas kodē kvantu informāciju ar minimāliem zudumiem.
Šīs tehnoloģijas solījums kļūst ļoti skaidrs, kad sākat domāt par tās pielietojumu. Stabils kvantu tīkls ļautu, piemēram, globālai bankai veikt portfeļa optimizācijas aprēķinus reāllaikā, sadalot darba slodzi starp vairākiem kvantu procesoriem, kas atrodas dažādos kontinentos, un tas viss ar drošības līmeni, kas ir daudz pārāks par pašreizējām sistēmām.
Veselības un materiālzinātnes jomā šī infrastruktūra atvieglotu molekulārās simulācijas mūsdienās neiedomājamā mērogā , padarot sarežģītu zāļu izstrādi vai jaunu savienojumu ar progresīvām īpašībām meklēšanu daudz ātrāku, neatkarīgi no tā, vai tās ir baterijas, supravadītāji vai īpaši izturīgi materiāli.
IBM un Cisco alianses mērķi: no atskaites punktiem līdz 2030. gadam
Paturot prātā šo kontekstu, IBM un Cisco ir paziņojuši par ilgtermiņa sadarbību , lai liktu pamatus izkliedētajai kvantu skaitļošanai. Viņi ir apņēmušies sasniegt 2030. gadu sākumu, līdz kuram laikam viņi plāno sagatavot funkcionāla kvantu interneta galvenās sastāvdaļas.
Pirmais būtiskais pagrieziena punkts, ko viņi ir noteikuši, ir aptuvens piecu gadu laika posms , lai demonstrētu koncepcijas pierādījumu, kas savieno vairākus liela mēroga, pret kļūmēm izturīgus, individuālus kvantu datorus. Ideja ir tāda, ka šīs mašīnas spēs veikt kopīgus aprēķinus ar desmitiem vai pat simtiem tūkstošu kubitu , kas ir daudz vairāk nekā to spēj apstrādāt viena izolēta mašīna.
Runājot par ietilpību, šim eksperimentālajam tīklam vajadzētu būt spējīgam izpildīt problēmas, kas ietver miljardiem vai triljoniem kvantu vārtu — tas ir, milzīgu skaitu sapīšanās operāciju un kvantu stāvokļu manipulāciju. Šāds sarežģītības līmenis ir tieši tas, kas nepieciešams transformējošām lietojumprogrammām, piemēram, masveida optimizācijai vai nākamās paaudzes zāļu izstrādei.
Vienlaikus IBM īsteno savu plānu, lai līdz šīs desmitgades beigām piegādātu liela mēroga, pret kļūmēm izturīgus kvantu datorus . Kopā ar Cisco mērķis ir spert soli tālāk: nodrošināt, lai šīs mašīnas nepaliktu kā izolētas skaitļošanas jaudas "salas", bet gan veidotu izkliedētu kvantu skaitļošanas tīklu , kas pastiprina to kopējo jaudu.
Šajā pieejā arhitektūra tiek uztverta kā vienots veselums: aparatūra kvantu datoru savienošanai , programmatūra starp tiem sadalīto aprēķinu koordinēšanai un tīkla intelekta slāņi, kas izlemj, kā un kad pārvietot kvantu informāciju no viena mezgla uz citu, maksimāli palielinot veiktspēju un uzticamību.
Vidējā termiņā abi uzņēmumi plāno līdz 2030. gada beigām veikt izkliedēta kvantu tīkla sākotnējo demonstrāciju. Šī demonstrācija balstīsies uz vairāku neatkarīgu kvantu datoru, kas uzstādīti dažādās kriogēnās vidēs, kubitu sapīšanu, kas arī rada ievērojamus fizikas inženierijas izaicinājumus.
Lai to padarītu iespējamu, būs nepieciešams izgudrot un pilnveidot jaunas savienojumu tehnoloģijas, piemēram, mikroviļņu optiskos pārveidotājus , kas pārveido kvantu signālus mikroviļņu diapazonā (tipiski supravadošiem kubitiem) optiskos fotonos, kas pārvietojas pa šķiedru, un otrādi. Turklāt būs nepieciešams specializēts programmatūras komplekts, kas spēj organizēt visu šo kvantu informācijas plūsmu, nezaudējot koherenci .
QPU, QNU un jaunais kvantu datu centrs
Viens no interesantākajiem plāna konceptuālajiem elementiem ir divu galveno komponentu definīcija: QPU (kvantu apstrādes vienība) un QNU (kvantu tīkla vienība) . QPU, vienkārši sakot, ir pats kvantu procesors, kurā atrodas stacionārie kubiti, kas veic aprēķinus.
Savukārt QNU ir izstrādāts kā kvantu tīkla saskarne, kas atbild par QPU stacionārās kvantu informācijas pārveidošanu par to, ko parasti sauc par "lidojošu" kvantu informāciju: stāvokļiem, kas parasti pārvietojas, kodēti fotonos, izmantojot sakaru tīklu.
IBM plāno izveidot šīs kvantu tīkla vienības, lai tās varētu darboties kā tilti starp vairākiem QPU vienā kvantu datu centrā. Cisco uzdevums būs izstrādāt tīklu, kas spēj sadalīt sapīšanos starp patvaļīgiem QNU pāriem pēc pieprasījuma atkarībā no katra algoritma vai lietojumprogrammas vajadzībām.
Lai koordinētu šo resursu dinamiku, Cisco izstrādā ātrdarbīgu programmatūras protokolu ietvaru , kas var nepārtraukti un dinamiski pārkonfigurēt tīkla ceļus. Praksē tas nozīmē, ka kvantu sapīšanās saites tiek izveidotas, iznīcinātas un novirzītas lielā ātrumā, lai nodrošinātu daļējus aprēķinus, ko veic dažādie QPU.
Vēl viena kopīga darba joma ir tā saukto "kvantu tīkla tiltu " izstrāde , kas sastāv no nākamās paaudzes aparatūras un atvērtā pirmkoda programmatūras. Šie tilti izmantos Cisco tīkla mezglus, lai savienotu lielu skaitu IBM QPU vienā datu centrā un vēlāk paplašinātu šo modeli uz vairākiem savstarpēji savienotiem centriem.
Šādā scenārijā kvantu datu centra koncepcija tiek pilnībā pārdefinēta: tā vairs nav tikai klasisko serveru plauktu izvietošana, bet gan kriostatu integrēšana ar kvantu procesoriem, QNU, optiskajiem pārveidotājiem, kvantu maršrutētājiem un jauktu klasiskās un kvantu skaitļošanas slāni, kas darbojas koordinētā veidā.
Vairāk nekā viena ēka: ceļā uz kvantu internetu
Divu kvantu datoru savienošana vienā telpā jau ir izaicinājums, taču īstais solis uz priekšu ir kubitu pārraide lielākos attālumos , piemēram, starp ēkām vai datu centriem, kas atrodas vairāku kilometru attālumā viena no otras. Šeit noder optiskie fotoni un jau visā pasaulē izvietotā optiskās šķiedras infrastruktūra .
IBM un Cisco pētīs, kā integrēt optisko fotonu un mikroviļņu-optisko pārveidotāju tehnoloģijas kvantu tīklā, kas var pārraidīt informāciju tikai nepieciešamības gadījumā, samazinot zudumus un saglabājot sapīšanos. Galīgais mērķis ir paplašināt šo kvantu tīklu pilsētu pa pilsētai, valsti pa valstij un galu galā planētas mērogā.
Šajā iespējamajā nākotnē tā sauktais kvantu skaitļošanas internets neaprobežosies tikai ar kvantu datoru savienošanu. Tas būs arī līme, kas savienos kopā īpaši jutīgus kvantu sensorus, kvantu sakaru sistēmas un citas izkliedētas ierīces, kas attālināti apmainās ar informāciju, nezaudējot kvantu fizikas priekšrocības.
Apsveramie pielietojumi ir ļoti dažādi: sākot ar īpaši drošu komunikāciju (pateicoties kvantu atslēgu izplatīšanas protokoliem, kas ļauj zināt, vai kāds mēģina izspiegot) līdz daudz precīzākai vides uzraudzībai, kas spēj detalizēti izsekot klimatam, laikapstākļiem, seismiskai aktivitātei vai pat ļoti delikātiem rūpnieciskiem procesiem.
Tas viss paver durvis uz to, ko paši IBM un Cisco raksturo kā eksponenciāli lielāku skaitļošanas telpu . Kad kopā strādā daudzi kvantu datori un tos apvieno ar klasiskajiem superdatoriem un paātrinātājiem, piemēram, grafiskajiem procesoriem (GPU), iegūst kvantu centrētu superdatoru ietvaru, kas var risināt problēmas, kuras mūsdienās ir vienkārši neatrisināmas.
Paralēli IBM sadarbojas ar tādām iestādēm kā Supravadošo kvantu materiālu un sistēmu centrs (SQMS) , ko vada Fermilab Amerikas Savienotajās Valstīs, lai pētītu, cik daudz QNU var efektīvi darboties šajos kvantu datu centros un kā tuvākajos gados palielināt to skaitu no dažiem savstarpēji savienotiem QPU līdz desmitiem vai simtiem.
Tehniskas problēmas, kiberdrošība un reālistisks laika grafiks
Lai gan runas var šķist ļoti ambiciozas, uzņēmumi apzinās, ka joprojām ir jāpārvar ļoti nopietni tehniski šķēršļi . Kvantu troksnis, dekoherence un nepieciešamība uzturēt temperatūru tuvu absolūtajai nullei joprojām ir galvenie ierobežojumi, runājot par aparatūras mērogošanu.
Kvantu procesoriem, kuru pamatā ir supravadošas shēmas, jādarbojas aptuveni -273 °C temperatūrā , kas nozīmē sarežģītus kriostatus, enerģijas patēriņu un infrastruktūras prasības, kas tradicionālajos datu centros nav raksturīgas. Mērogošana līdz arhitektūrām ar simtiem tūkstošu kļūdu tolerantu loģisko kubitu ir monumentāls inženiertehnisks izaicinājums.
Tīkla līmenī kvantu informācijas trauslums pārsūtīšanas laikā rada nepieciešamību izstrādāt tādas ierīces kā kvantu pārveidotāji un atkārtotāji ar ļoti augstu efektivitāti un minimāliem zudumiem. Turklāt kvantu operāciju sinhronizācija starp dažādiem mezgliem ar precizitāti, kas ir mazāka par nanosekundi, nebūt nav triviāla.
Tāpat pastāv ievērojams brieduma trūkums augšējos programmatūras slāņos: ir nepieciešami kvantu maršrutēšanas protokoli , kā arī orķestrēšanas rīki kvantu uzdevumu izplatīšanai, kļūdu labošanas sistēmas, kas koordinētas starp vairākiem mezgliem, API, lai izstrādātāji varētu programmēt izkliedētus algoritmus bez liekām pūlēm, un tā tālāk.
Drošības jomā medaļai ir divas puses. No vienas puses, pietiekami jaudīgi kvantu datori varētu uzlauzt pašreizējos kriptogrāfiskos algoritmus, kuru pamatā ir RSA vai eliptiskās līknes (ECC), apdraudot banku darījumus, militāro saziņu vai sensitīvus medicīniskos datus. No otras puses, šīs pašas kvantu metodes piedāvā tādus rīkus kā kvantu atslēgu izplatīšana, kas nodrošina teorētiski neuzlaužamu drošu saziņu.
Tāpēc IBM, Cisco un citi nozares dalībnieki strādā pie postkvantu kriptogrāfijas un kvantu drošības protokoliem, vienlaikus izstrādājot aparatūru. Ideja ir tāda, ka līdz brīdim, kad kvantu datori spēs uzbrukt pašreizējām drošības sistēmām, mums jau būs pieejamas spēcīgas alternatīvas, lai cīnītos pret šāda veida draudiem.
Runājot par laika grafiku, aplēses ir paātrinājušās. Pirms dažiem gadiem tika teikts, ka pilnībā funkcionējošs kvantu dators netiks izlaists pirms 2040. gada. Tagad IBM praktiskas kvantu skaitļošanas iespējas konkrētiem lietojumiem paredz 5 līdz 10 gadu laikā un norāda, ka 2030. gadu beigas ir saprātīgs laika posms nobriedušāka kvantu interneta izveidei.
Tikmēr IBM-Cisco alianse plāno demonstrēt starpposma atskaites punktus : vispirms savienojumus starp diviem kvantu blokiem (QPU) dažādās kriosistēmās; pēc tam tīklus vienā datu centrā; un vēlāk savienojumus starp datu centriem. To visu papildinās akadēmisku un sadarbības pētniecības projektu līdzfinansēšana, lai veicinātu plašāku kvantu ekosistēmu.
Šī IBM un Cisco sadarbība iezīmē ainu, kurā kvantu skaitļošana pārstāj būt izolēts eksperiments un sāk integrēties kā galvenā globālās digitālās infrastruktūras sastāvdaļa. Ja viņiem izdosies pārvarēt stabilitātes, kļūdu labošanas, savstarpējas savienojamības un drošības izaicinājumus, nākamajā desmitgadē mēs varētu piedzīvot izkliedēta kvantu tīkla dzimšanu, kas spēs pārveidot tādas nozares kā finanses, medicīna, loģistika un materiālzinātne, tāpat kā internets uz visiem laikiem mainīja klasisko skaitļošanu.
