- IBM dan Cisco telah bergabung tenaga untuk mencipta rangkaian pengedaran komputer kuantum toleran kesalahan, meletakkan asas untuk internet kuantum masa hadapan.
- Projek ini menggabungkan pemproses kuantum termaju (QPU) dengan unit rangkaian kuantum (QNU) dan protokol komunikasi baharu untuk menjerat qubit pada jarak jauh.
- Pencapaian termasuk bukti konsep pertama dalam tempoh lima tahun dan demonstrasi rangkaian kuantum berskala menjelang 2030, yang menghubungkan berbilang pusat data.
- Jika cabaran teknikal dan keselamatan dapat diatasi, rangkaian ini akan membolehkan untuk menangani masalah pengoptimuman, simulasi dan komunikasi selamat yang tidak dapat dicapai untuk pengkomputeran klasik.
Dalam konteks ini, pakatan antara IBM dan Cisco mula memainkan peranan . Kedua-dua gergasi ini telah memutuskan untuk bergabung tenaga bagi mereka bentuk dan membina asas rangkaian komputer kuantum yang saling berkaitan dan toleran kerosakan . Matlamat mereka bukan sahaja untuk mengeluarkan mesin yang lebih berkuasa, tetapi juga untuk membolehkan mesin ini bekerjasama melalui infrastruktur komunikasi kuantum, yang menimbulkan apa yang ramai orang panggil "Internet pengkomputeran kuantum."
Qubits: nadi pengkomputeran kuantum moden
Untuk memahami mengapa perikatan ini begitu relevan, kita mesti menjelaskan terlebih dahulu apa itu qubit dan bagaimana ia berbeza daripada bit klasik . Walaupun komputer tradisional berfungsi dengan bit yang hanya boleh menjadi 0 atau 1, qubit dikawal oleh peraturan mekanik kuantum dan boleh wujud dalam superposisi kedua-dua keadaan secara serentak.
Hasil daripada superposisi kuantum ini , pemproses kuantum boleh meneroka secara selari beberapa keadaan yang berkembang secara eksponen dengan bilangan qubit. IBM, sebagai contoh, telah menggunakan keluarga pemproses Heronnya, dengan 133 qubit , di pelbagai pusat penyelidikan di seluruh dunia, menunjukkan bahawa pendekatan ini mula berguna di luar makmal.
Unjuran syarikat menunjukkan bahawa, dengan pemproses sekitar 300 qubit yang dikawal dengan baik , adalah mungkin untuk menyelesaikan masalah yang akan mengambil masa ribuan tahun untuk superkomputer klasik yang paling berkuasa. Ini termasuk simulasi kimia termaju, pengoptimuman kewangan yang ekstrem dan reka bentuk bahan dengan sifat yang sangat spesifik.
Walau bagaimanapun, kuncinya bukan sahaja terletak pada peningkatan bilangan qubit, tetapi juga pada peningkatan kestabilan dan koheren kuantumnya . Selama bertahun-tahun, halangan utama dalam pengkomputeran kuantum adalah mengekalkan keadaan kuantum dengan tepat cukup lama untuk melakukan pengiraan yang berguna sebelum sistem merosot akibat hingar dan penyahkoheren.
Pada ketika ini, IBM telah mencapai kemajuan yang ketara dalam pembetulan ralat kuantum . Syarikat itu tidak terhad kepada peningkatan ketepatan setiap qubit secara individu, tetapi telah mereka bentuk skema di mana berbilang qubit fizikal berfungsi secara berlebihan untuk membentuk qubit logik yang lebih mantap, yang mampu mengesan dan membetulkan ralat dalam masa nyata. Kemajuan ini adalah penting untuk mencapai mesin yang benar-benar toleran ralat.
Keterikatan kuantum dan rangkaian: tempat Cisco memasuki tempat kejadian
Sebaik sahaja perkakasan kuantum yang minimum stabil wujud, langkah seterusnya adalah untuk membolehkan pemproses yang berbeza bekerjasama antara satu sama lain. Di sinilah kepakaran Cisco menonjol, kerana mereka memfokuskan penyelidikan mereka pada apa yang mereka panggil rangkaian kuantum — infrastruktur yang mampu menghantar maklumat kuantum tanpa memusnahkan sifatnya.
Bahagian utama teka-teki ini ialah keterikatan kuantum . Apabila dua qubit terikat, keadaan salah satu qubit dikaitkan dengan keadaan qubit yang lain, walaupun jaraknya beberapa kilometer. Sebarang pengukuran pada salah satu daripadanya serta-merta mempengaruhi pasangannya. Memanfaatkan fenomena ini membolehkan rangkaian kuantum teragih berfungsi sebagai sistem logik tunggal yang koheren.
Pasukan Cisco sedang mengusahakan sistem penghantaran yang mengekalkan keterikatan ini dalam jarak jauh menggunakan gentian optik . Hanya menggunakan semula infrastruktur internet sedia ada tidak mencukupi: ia memerlukan pembangunan elemen tertentu seperti pengulang atau jambatan kuantum dan mengurus foton individu yang mengekod maklumat kuantum dengan kehilangan minimum.
Janji teknologi ini menjadi sangat jelas apabila anda mula memikirkan tentang aplikasinya. Rangkaian kuantum yang mantap akan membolehkan, sebagai contoh, bank global melakukan pengiraan pengoptimuman portfolio dalam masa nyata dengan mengagihkan beban kerja antara beberapa pemproses kuantum yang terletak di benua yang berbeza, semuanya dengan tahap keselamatan yang jauh lebih baik daripada sistem semasa.
Dalam bidang sains kesihatan dan bahan, infrastruktur ini akan memudahkan simulasi molekul pada skala yang tidak dapat difikirkan hari ini, menjadikan reka bentuk ubat kompleks atau pencarian sebatian baharu dengan sifat canggih lebih pantas, sama ada untuk bateri, superkonduktor atau bahan ultra tahan.
Matlamat IBM dan Cisco Alliance: Dari Pencapaian hingga 2030
Dengan mengambil kira konteks ini, IBM dan Cisco telah mengumumkan kerjasama jangka panjang untuk meletakkan asas bagi pengkomputeran kuantum teragih. Mereka telah menetapkan sasaran pada awal tahun 2030-an, di mana mereka menjangkakan komponen utama internet kuantum berfungsi akan sedia untuk digunakan.
Pencapaian penting pertama yang mereka tetapkan ialah jangka masa anggaran lima tahun untuk menunjukkan bukti konsep yang menghubungkan beberapa komputer kuantum individu berskala besar yang toleran kesalahan. Ideanya ialah mesin-mesin ini akan dapat melakukan pengiraan bersama dengan puluhan atau ratusan ribu qubit , jauh melebihi apa yang boleh dikendalikan oleh satu mesin terpencil.
Dari segi kapasiti, rangkaian eksperimen ini sepatutnya dapat menjalankan masalah yang melibatkan berbilion atau trilion get kuantum — iaitu, sejumlah besar operasi keterikatan dan manipulasi keadaan kuantum. Tahap kerumitan inilah yang diperlukan untuk aplikasi transformatif seperti pengoptimuman besar-besaran atau reka bentuk ubat generasi akan datang.
IBM pada masa yang sama sedang mengejar hala tujunya sendiri untuk menyediakan komputer kuantum berskala besar yang toleran kerosakan sebelum akhir dekad ini. Apa yang ingin dicapai dengan Cisco adalah untuk melangkah lebih jauh: memastikan bahawa mesin-mesin ini tidak kekal sebagai "pulau" kuasa pengkomputeran yang terasing, sebaliknya membentuk rangkaian pengkomputeran kuantum teragih yang menguatkan kapasiti keseluruhannya.
Dalam pendekatan ini, seni bina dikonsepkan secara keseluruhan: perkakasan untuk menghubungkan komputer kuantum , perisian untuk menyelaras pengiraan yang diagihkan di antara mereka, dan lapisan kecerdasan rangkaian yang menentukan bagaimana dan bila untuk memindahkan maklumat kuantum dari satu nod ke nod yang lain, memaksimumkan prestasi dan kebolehpercayaan.
Dalam jangka masa sederhana, kedua-dua syarikat itu menyasarkan untuk mengadakan demonstrasi awal rangkaian kuantum teragih menjelang akhir tahun 2030. Demo ini akan berdasarkan penjeratan qubit daripada beberapa komputer kuantum bebas, yang dipasang dalam persekitaran kriogenik yang berbeza, yang turut menambah cabaran kejuruteraan fizik yang ketara.
Untuk memungkinkan perkara ini, adalah perlu untuk mencipta dan memperhalusi teknologi interkoneksi baharu, seperti transduser optik gelombang mikro yang menukar isyarat kuantum dalam julat gelombang mikro (lazimnya qubit superkonduktor) kepada foton optik yang bergerak melalui gentian, dan sebaliknya. Tambahan pula, susunan perisian khusus yang mampu mengatur semua aliran maklumat kuantum ini tanpa kehilangan koheren akan diperlukan .
QPU, QNU dan pusat data kuantum baharu
Salah satu elemen konseptual yang paling menarik dalam pelan ini ialah definisi dua komponen utama: QPU (Unit Pemprosesan Kuantum) dan QNU (Unit Rangkaian Kuantum) . Secara ringkasnya, QPU ialah pemproses kuantum itu sendiri, tempat qubit pegun yang melakukan pengiraan berada.
QNU, bagi bahagiannya, direka bentuk sebagai antara muka rangkaian kuantum yang bertanggungjawab untuk mengubah maklumat kuantum pegun QPU kepada apa yang biasanya dipanggil maklumat kuantum "terbang": menyatakan bahawa perjalanan, secara amnya, dikodkan dalam foton melalui rangkaian komunikasi.
IBM merancang untuk membina unit rangkaian kuantum ini supaya ia boleh bertindak sebagai jambatan antara berbilang QPU dalam satu pusat data kuantum. Peranan Cisco adalah untuk mereka bentuk rangkaian yang mampu mengagihkan keterikatan antara pasangan QNU sewenang-wenangnya apabila diminta, bergantung pada keperluan setiap algoritma atau aplikasi.
Untuk menyelaraskan dinamik sumber ini, Cisco sedang membangunkan rangka kerja protokol perisian berkelajuan tinggi yang boleh mengkonfigurasi semula laluan rangkaian secara berterusan dan dinamik. Dalam praktiknya, ini bermakna pautan keterikatan kuantum dicipta, dimusnahkan dan dialihkan pada kelajuan tinggi untuk memberi makan pengiraan separa yang dilengkapkan oleh pelbagai QPU.
Satu lagi bidang kerja sama ialah pembangunan apa yang dipanggil "jambatan rangkaian kuantum ," yang terdiri daripada perkakasan generasi akan datang dan perisian sumber terbuka. Jambatan ini akan menggunakan nod rangkaian Cisco untuk menghubungkan sebilangan besar QPU IBM dalam satu pusat data dan kemudiannya melanjutkan model ini ke berbilang pusat yang saling berkaitan.
Dalam senario itu, konsep pusat data kuantum ditakrifkan semula sepenuhnya: ia bukan lagi sekadar menggunakan rak pelayan klasik, tetapi juga mengintegrasikan kriostat dengan pemproses kuantum, QNU, transduser optik, penghala kuantum dan lapisan campuran pengkomputeran klasik dan kuantum yang berfungsi secara terselaras.
Di sebalik satu bangunan: ke arah internet kuantum
Menghubungkan dua komputer kuantum dalam bilik yang sama sudah menjadi satu cabaran, tetapi lonjakan sebenar terletak pada penghantaran qubit pada jarak yang lebih jauh , contohnya, antara bangunan atau pusat data yang terletak beberapa kilometer antara satu sama lain. Di sinilah foton optik dan infrastruktur gentian optik yang telah digunakan di seluruh dunia memainkan peranan .
IBM dan Cisco akan menyiasat cara mengintegrasikan teknologi foton optik dan transduser gelombang mikro-optik ke dalam rangkaian kuantum yang hanya boleh membawa maklumat apabila diperlukan, meminimumkan kerugian dan mengekalkan keterikatan. Matlamat utama adalah untuk dapat meluaskan rangkaian kuantum ini dari bandar ke bandar, negara ke negara, dan akhirnya, pada skala planet.
Dalam masa hadapan yang mungkin ini, apa yang dipanggil internet pengkomputeran kuantum tidak akan terhad kepada sekadar menghubungkan komputer kuantum. Ia juga akan menjadi gam yang mengikat sensor kuantum ultra-sensitif, sistem komunikasi kuantum dan peranti teragih lain yang berkongsi maklumat dari jauh tanpa kehilangan kelebihan fizik kuantum.
Aplikasi yang sedang dipertimbangkan sangat pelbagai: daripada komunikasi ultra-selamat (terima kasih kepada protokol pengedaran kunci kuantum yang membolehkan anda mengetahui sama ada seseorang cuba mengintip) kepada pemantauan alam sekitar yang lebih tepat, yang mampu menjejaki secara terperinci iklim, cuaca, aktiviti seismik atau proses perindustrian yang sangat halus.
Semua ini membuka pintu kepada apa yang digambarkan oleh IBM dan Cisco sendiri sebagai ruang pengiraan yang lebih besar secara eksponen . Apabila anda mempunyai banyak komputer kuantum yang berfungsi bersama, dan anda menggabungkannya dengan superkomputer klasik dan pemecut seperti GPU, anda akan mendapat rangka kerja superkomputer berpusatkan kuantum yang dapat menangani masalah yang sukar diatasi hari ini.
Secara selari, IBM sedang bekerjasama dengan institusi seperti Pusat Bahan dan Sistem Kuantum Superkonduktor (SQMS) , yang diketuai oleh Fermilab di Amerika Syarikat, untuk mengkaji berapa banyak QNU yang boleh beroperasi dengan cekap di pusat data kuantum ini dan cara untuk meningkatkan skala daripada beberapa QPU yang saling berkaitan kepada puluhan atau ratusan pada tahun-tahun akan datang.
Cabaran teknikal, keselamatan siber dan garis masa yang realistik
Walaupun perbincangan itu mungkin kedengaran sangat bercita-cita tinggi, syarikat-syarikat tersebut sedar bahawa masih terdapat halangan teknikal yang sangat serius di hadapan . Bunyi kuantum, penyahkoherensian dan keperluan untuk mengekalkan suhu hampir kepada sifar mutlak kekal sebagai batasan utama dalam hal peningkatan perkakasan.
Pemproses kuantum berdasarkan litar superkonduktor perlu beroperasi pada sekitar -273°C , yang menunjukkan kriostat kompleks, penggunaan tenaga dan keperluan infrastruktur yang luar biasa dalam pusat data tradisional. Meningkatkan skala kepada seni bina dengan ratusan ribu qubit logik toleran kesalahan merupakan cabaran kejuruteraan yang besar.
Di peringkat rangkaian, kerapuhan maklumat kuantum dalam transit memerlukan pembangunan peranti seperti transduser dan pengulang kuantum dengan kecekapan yang sangat tinggi dan kerugian minimum. Tambahan pula, penyegerakan operasi kuantum antara nod berbeza dengan ketepatan sub-nanosaat bukanlah sesuatu yang remeh.
Terdapat juga kekurangan kematangan yang ketara dalam lapisan perisian atas: protokol penghalaan kuantum diperlukan , serta alat orkestrasi untuk mengagihkan tugasan kuantum, sistem pembetulan ralat yang diselaraskan antara berbilang nod, API untuk pembangun memprogram algoritma teragih tanpa menjadi gila, dan sebagainya.
Dalam bidang keselamatan, terdapat dua sisi pada syiling. Di satu pihak, komputer kuantum yang cukup berkuasa boleh memecahkan algoritma kriptografi semasa berdasarkan RSA atau lengkung eliptik (ECC), membahayakan transaksi perbankan, komunikasi ketenteraan atau data perubatan sensitif. Sebaliknya, teknik kuantum yang sama ini menawarkan alat seperti pengedaran kunci kuantum yang membolehkan komunikasi selamat yang tidak boleh dipecahkan secara teorinya.
Itulah sebabnya IBM, Cisco dan pemain industri lain sedang mengusahakan kriptografi pasca-kuantum dan protokol keselamatan kuantum sambil membangunkan perkakasan secara serentak. Ideanya ialah apabila komputer kuantum dapat menyerang sistem keselamatan semasa, kita akan mempunyai alternatif yang mantap untuk mengatasi ancaman jenis baharu ini.
Bagi garis masa, anggaran telah dipercepatkan. Beberapa tahun yang lalu, dikatakan bahawa komputer kuantum yang beroperasi sepenuhnya tidak akan tiba sebelum tahun 2040. Kini, IBM meletakkan pengkomputeran kuantum praktikal dalam lingkungan 5 hingga 10 tahun untuk aplikasi tertentu, dan menandakan berakhirnya tahun 2030-an sebagai jangka masa yang munasabah untuk internet kuantum yang lebih matang.
Sementara itu, pakatan IBM-Cisco sendiri merancang untuk mempamerkan pencapaian pertengahan : pertama, hubungan antara dua QPU dalam kriosistem yang berbeza; kemudian, rangkaian dalam pusat data yang sama; dan kemudian, hubungan antara pusat data. Semua ini akan disertai dengan pembiayaan bersama projek penyelidikan akademik dan kolaboratif untuk memupuk ekosistem kuantum yang lebih luas.
Kerjasama antara IBM dan Cisco ini menggambarkan gambaran di mana pengkomputeran kuantum tidak lagi menjadi eksperimen terpencil dan mula disepadukan sebagai komponen utama infrastruktur digital global. Jika mereka berjaya mengatasi cabaran kestabilan, pembetulan ralat, saling hubung dan keselamatan, kita dapat melihat kelahiran rangkaian kuantum teragih dalam dekad akan datang, yang mampu mengubah sektor seperti kewangan, perubatan, logistik dan sains bahan, sama seperti internet selama-lamanya mengubah pengkomputeran klasik.
