- IBM en Cisco hebben hun krachten gebundeld om een gedistribueerd netwerk van fouttolerante quantumcomputers te creëren, waarmee de basis wordt gelegd voor een toekomstig quantuminternet.
- Het project combineert geavanceerde quantumprocessoren (QPU's) met quantumnetwerkunits (QNU's) en nieuwe communicatieprotocollen om qubits over grote afstanden met elkaar te verstrengelen.
- Mijlpalen zijn onder meer een eerste proof of concept over vijf jaar en een demonstratie van een schaalbaar quantumnetwerk tegen 2030, dat meerdere datacenters met elkaar verbindt.
- Als de technische en veiligheidsuitdagingen worden overwonnen, maakt dit netwerk het mogelijk om optimalisatie-, simulatie- en veilige communicatieproblemen aan te pakken die met klassieke computers onhaalbaar zijn.
In deze context komt de alliantie tussen IBM en Cisco in beeld . Deze twee giganten hebben besloten hun krachten te bundelen om de basis te leggen voor een netwerk van onderling verbonden, fouttolerante kwantumcomputers . Hun doel is niet alleen om krachtigere machines te produceren, maar ook om deze machines te laten samenwerken via een kwantumcommunicatie-infrastructuur, wat nu al de "Internet van kwantumcomputing" wordt genoemd.
Qubits: het hart van moderne quantum computing
Om te begrijpen waarom deze alliantie zo relevant is, moeten we eerst verduidelijken wat een qubit is en hoe deze verschilt van een klassieke bit . Terwijl traditionele computers werken met bits die alleen 0 of 1 kunnen zijn, worden qubits beheerst door de regels van de kwantummechanica en kunnen ze tegelijkertijd in een superpositie van beide toestanden bestaan.
Dankzij deze kwantumsuperpositie kan een kwantumprocessor parallel een aantal toestanden onderzoeken dat exponentieel groeit met het aantal qubits. IBM heeft bijvoorbeeld zijn Heron-processorfamilie, met 133 qubits , al ingezet in verschillende onderzoekscentra over de hele wereld, wat aantoont dat deze aanpak ook buiten het laboratorium bruikbaar begint te worden.
De prognoses van het bedrijf geven aan dat het met een processor van ongeveer 300 goed gecontroleerde qubits mogelijk zou zijn om problemen op te lossen die de krachtigste klassieke supercomputers duizenden jaren zouden kosten. Het gaat hierbij onder andere om geavanceerde chemische simulaties, extreme financiële optimalisatie en het ontwerpen van materialen met zeer specifieke eigenschappen.
De sleutel ligt echter niet alleen in het vergroten van het aantal qubits, maar ook in het verbeteren van hun stabiliteit en kwantumcoherentie . Jarenlang was het grootste obstakel in de kwantumcomputing het nauwkeurig handhaven van de kwantumtoestand lang genoeg om nuttige berekeningen uit te voeren voordat het systeem door ruis en decoherentie achteruitgaat.
IBM heeft inmiddels aanzienlijke vooruitgang geboekt op het gebied van kwantumfoutcorrectie . Het bedrijf heeft zich niet beperkt tot het verbeteren van de nauwkeurigheid van elke qubit afzonderlijk, maar heeft systemen ontwikkeld waarbij meerdere fysieke qubits redundant samenwerken om robuustere logische qubits te vormen, die in staat zijn om fouten in realtime te detecteren en te corrigeren. Deze vooruitgang is cruciaal voor het realiseren van werkelijk fouttolerante machines.
Quantumverstrengeling en netwerken: waar Cisco het toneel betreedt
Zodra er minimaal stabiele kwantumhardware bestaat, is de volgende stap om verschillende processors met elkaar te laten samenwerken. Dit is waar Cisco's expertise tot uiting komt, aangezien zij hun onderzoek richten op wat zij kwantumnetwerken noemen : infrastructuren die in staat zijn kwantuminformatie te verzenden zonder de eigenschappen ervan te vernietigen.
Het centrale element van deze puzzel is kwantumverstrengeling . Wanneer twee qubits verstrengeld zijn, is de toestand van de ene gekoppeld aan die van de andere, zelfs als ze kilometers van elkaar verwijderd zijn. Elke meting op de ene qubit heeft direct invloed op de andere. Door dit fenomeen te benutten, kan een gedistribueerd kwantumnetwerk functioneren als één coherent logisch systeem.
Cisco-teams werken aan transmissiesystemen die deze verstrengeling over lange afstanden behouden met behulp van glasvezel . Het simpelweg hergebruiken van de bestaande internetinfrastructuur is niet voldoende: het vereist de ontwikkeling van specifieke elementen zoals repeaters of kwantumbruggen en het beheer van individuele fotonen die kwantuminformatie coderen met minimaal verlies.
De belofte van deze technologie wordt heel duidelijk wanneer je nadenkt over de toepassingen ervan. Een robuust kwantumnetwerk zou bijvoorbeeld een wereldwijde bank in staat stellen om portfolio-optimalisatieberekeningen in realtime uit te voeren door de werklast te verdelen over verschillende kwantumprocessoren op verschillende continenten, allemaal met een beveiligingsniveau dat veel hoger ligt dan dat van de huidige systemen.
Op het gebied van gezondheid en materiaalkunde zou deze infrastructuur moleculaire simulaties mogelijk maken op een schaal die vandaag de dag ondenkbaar is. Dit zou het ontwerpen van complexe geneesmiddelen of het zoeken naar nieuwe verbindingen met geavanceerde eigenschappen aanzienlijk versnellen, of het nu gaat om batterijen, supergeleiders of ultrabestendige materialen.
Doelstellingen van de alliantie tussen IBM en Cisco: van mijlpalen tot 2030
Met dit in gedachten hebben IBM en Cisco een langdurige samenwerking aangekondigd om de basis te leggen voor gedistribueerde kwantumcomputing. Ze hebben zich ten doel gesteld om begin jaren 2030 te bereiken, tegen die tijd verwachten ze de belangrijkste componenten van een functioneel kwantuminternet gereed te hebben.
De eerste belangrijke mijlpaal die ze hebben gesteld, is een termijn van ongeveer vijf jaar om een proof of concept te demonstreren waarbij meerdere grootschalige, fouttolerante, individuele kwantumcomputers met elkaar worden verbonden. Het idee is dat deze machines gezamenlijke berekeningen kunnen uitvoeren met tienduizenden of zelfs honderdduizenden qubits , veel meer dan een enkele, geïsoleerde machine aankan.
Qua capaciteit zou dit experimentele netwerk in staat moeten zijn om problemen op te lossen die miljarden of biljoenen kwantumgates omvatten – dat wil zeggen, een kolossaal aantal verstrengelingsoperaties en manipulaties van kwantumtoestanden. Dit complexiteitsniveau is precies wat nodig is voor baanbrekende toepassingen zoals massale optimalisatie of het ontwerpen van geneesmiddelen van de volgende generatie.
IBM werkt tegelijkertijd aan een eigen routekaart om vóór het einde van dit decennium grootschalige, fouttolerante kwantumcomputers te leveren. Wat het bedrijf met Cisco wil bereiken, is een stap verder gaan: ervoor zorgen dat deze machines geen geïsoleerde "eilanden" van rekenkracht blijven, maar een gedistribueerd kwantumcomputernetwerk vormen dat hun totale capaciteit vergroot.
Bij deze aanpak wordt de architectuur als een geheel beschouwd: hardware om de kwantumcomputers met elkaar te verbinden , software om de over de computers verdeelde berekeningen te coördineren, en lagen van netwerkintelligentie die bepalen hoe en wanneer kwantuminformatie van het ene knooppunt naar het andere moet worden verplaatst, waardoor de prestaties en betrouwbaarheid worden gemaximaliseerd.
Op middellange termijn streven de twee bedrijven ernaar om eind 2030 een eerste demonstratie van een gedistribueerd kwantumnetwerk te presenteren . Deze demonstratie zal gebaseerd zijn op het verstrengelen van qubits van verschillende onafhankelijke kwantumcomputers, die in verschillende cryogene omgevingen zijn geïnstalleerd. Dit brengt tevens een aanzienlijke uitdaging met zich mee op het gebied van natuurkunde en engineering.
Om dit mogelijk te maken, is het nodig om nieuwe interconnectietechnologieën te ontwikkelen en te verfijnen, zoals optische microgolftransducers die kwantumsignalen in het microgolfbereik (typisch voor supergeleidende qubits) omzetten in optische fotonen die door een vezel reizen, en omgekeerd. Bovendien is een gespecialiseerde softwarestack nodig die al deze stroom van kwantuminformatie kan coördineren zonder coherentieverlies .
QPU, QNU en het nieuwe quantumdatacenter
Een van de meest interessante conceptuele elementen van het plan is de definitie van twee belangrijke componenten: de QPU (Quantum Processing Unit) en de QNU (Quantum Network Unit) . De QPU is, simpel gezegd, de kwantumprocessor zelf, waar de stationaire qubits die de berekeningen uitvoeren zich bevinden.
De QNU is op zijn beurt ontworpen als de kwantumnetwerkinterface die verantwoordelijk is voor het omzetten van de stationaire kwantuminformatie van de QPU in wat gewoonlijk "vliegende" kwantuminformatie wordt genoemd: toestanden die, over het algemeen gecodeerd in fotonen, door een communicatienetwerk reizen.
IBM is van plan deze kwantumnetwerkeenheden te bouwen zodat ze als bruggen kunnen fungeren tussen meerdere QPU's binnen één kwantumdatacenter. De rol van Cisco zal zijn om een netwerk te ontwerpen dat in staat is om verstrengeling te verdelen tussen willekeurige paren QNU's, afhankelijk van de behoeften van elk algoritme of elke toepassing, op aanvraag.
Om deze dynamiek van resources te coördineren, ontwikkelt Cisco een supersnel softwareprotocol dat netwerkpaden continu en dynamisch kan herconfigureren. In de praktijk betekent dit dat kwantumverstrengelingsverbindingen razendsnel worden gecreëerd, verbroken en omgeleid om de deelberekeningen te voeden die de verschillende QPU's uitvoeren.
Een ander gebied van gezamenlijke werkzaamheden is de ontwikkeling van zogenaamde "quantum network bridges ", bestaande uit hardware van de volgende generatie en open-source software. Deze bridges zullen Cisco-netwerkknooppunten gebruiken om een groot aantal IBM QPU's binnen één datacenter met elkaar te verbinden, en dit model later uitbreiden naar meerdere onderling verbonden datacenters.
In dat scenario wordt het concept van een kwantumdatacenter volledig opnieuw gedefinieerd: het gaat niet langer alleen om het plaatsen van racks met klassieke servers, maar om het integreren van cryostaten met kwantumprocessoren, QNU's, optische transducers, kwantumrouters en een gemengde laag van klassieke en kwantumcomputing die op een gecoördineerde manier samenwerken.
Verder dan een enkel gebouw: op weg naar het kwantuminternet
Het verbinden van twee kwantumcomputers in dezelfde ruimte is al een uitdaging, maar de echte doorbraak zit hem in het verzenden van qubits over grotere afstanden , bijvoorbeeld tussen gebouwen of datacenters die kilometers van elkaar verwijderd liggen. Dit is waar optische fotonen en de wereldwijd reeds uitgerolde glasvezelinfrastructuur een rol spelen .
IBM en Cisco gaan onderzoeken hoe optische foton- en microgolf-optische transducertechnologieën geïntegreerd kunnen worden in een kwantumnetwerk dat informatie alleen transporteert wanneer dat nodig is, waardoor verliezen worden geminimaliseerd en verstrengeling behouden blijft. Het uiteindelijke doel is om dit kwantumnetwerk stad voor stad, land voor land en uiteindelijk op planetaire schaal uit te breiden.
In deze mogelijke toekomst zal het zogenaamde kwantumcomputerinternet niet beperkt blijven tot het simpelweg verbinden van kwantumcomputers. Het zal ook de lijm zijn die ultragevoelige kwantumsensoren, kwantumcommunicatiesystemen en andere gedistribueerde apparaten samenbindt die op afstand informatie delen zonder de voordelen van de kwantumfysica te verliezen.
De toepassingen die worden overwogen zijn zeer uiteenlopend: van ultrabeveiligde communicatie (dankzij kwantum-sleuteldistributieprotocollen waarmee je kunt achterhalen of iemand probeert te spioneren) tot veel nauwkeurigere milieumonitoring, waarmee het klimaat, het weer, seismische activiteit of zelfs zeer delicate industriële processen tot in detail kunnen worden gevolgd.
Dit alles opent de deur naar wat IBM en Cisco zelf omschrijven als een exponentieel grotere rekenruimte . Wanneer je veel kwantumcomputers samen laat werken en deze combineert met klassieke supercomputers en accelerators zoals GPU's, krijg je een kwantumcentrisch supercomputerraamwerk dat problemen kan aanpakken die vandaag de dag simpelweg onoplosbaar zijn.
Tegelijkertijd werkt IBM samen met instellingen zoals het Center for Superconducting Quantum Materials and Systems (SQMS) , onder leiding van Fermilab in de Verenigde Staten, om te onderzoeken hoeveel QNU's efficiënt kunnen functioneren in deze kwantumdatacenters en hoe de schaalbaarheid van een paar onderling verbonden QPU's naar tientallen of honderden in de komende jaren kan worden vergroot.
Technische uitdagingen, cyberbeveiliging en een realistische tijdlijn
Hoewel de plannen erg ambitieus klinken, zijn de bedrijven zich ervan bewust dat er nog steeds serieuze technische obstakels te overwinnen zijn . Kwantumruis, decoherentie en de noodzaak om temperaturen dicht bij het absolute nulpunt te handhaven, blijven belangrijke beperkingen bij het opschalen van de hardware.
Kwantumprocessoren gebaseerd op supergeleidende circuits moeten werken bij temperaturen rond de -273 °C , wat complexe cryostaten, een hoog energieverbruik en infrastructuurvereisten met zich meebrengt die ongebruikelijk zijn in traditionele datacenters. Opschalen naar architecturen met honderdduizenden fouttolerante logische qubits is een gigantische technische uitdaging.
Op netwerkniveau vereist de kwetsbaarheid van kwantuminformatie tijdens de overdracht de ontwikkeling van apparaten zoals kwantumtransducers en repeaters met een zeer hoge efficiëntie en minimale verliezen. Bovendien is het synchroniseren van kwantumoperaties tussen verschillende knooppunten met een precisie van minder dan een nanoseconde allesbehalve eenvoudig.
Ook de hogere softwarelagen zijn nog aanzienlijk onvolwassen: er zijn kwantumrouteringsprotocollen nodig , evenals orchestratietools om kwantumtaken te verdelen, foutcorrectiesystemen die gecoördineerd werken tussen meerdere knooppunten, API's voor ontwikkelaars om gedistribueerde algoritmen te programmeren zonder gek te worden, enzovoort.
Op het gebied van beveiliging zijn er twee kanten aan de medaille. Enerzijds zouden voldoende krachtige kwantumcomputers de huidige cryptografische algoritmen op basis van RSA of elliptische krommen (ECC) kunnen kraken , waardoor banktransacties, militaire communicatie of gevoelige medische gegevens in gevaar zouden komen. Anderzijds bieden diezelfde kwantumtechnieken tools zoals kwantum-sleuteldistributie die theoretisch onbreekbare, veilige communicatie mogelijk maken.
Daarom werken IBM, Cisco en andere spelers in de sector aan post-kwantumcryptografie en kwantumbeveiligingsprotocollen, terwijl ze tegelijkertijd de hardware ontwikkelen. Het idee is dat tegen de tijd dat kwantumcomputers in staat zijn om de huidige beveiligingssystemen aan te vallen, we al robuuste alternatieven hebben ingezet om dit nieuwe type dreiging te bestrijden.
Wat de tijdlijn betreft, zijn de schattingen steeds sneller geworden. Een paar jaar geleden werd gezegd dat een volledig functionerende kwantumcomputer pas in 2040 beschikbaar zou zijn. Nu schat IBM de praktische toepasbaarheid van kwantumcomputing voor specifieke toepassingen binnen 5 tot 10 jaar en beschouwt het einde van de jaren 2030 als een redelijke termijn voor een meer volwaardig kwantuminternet.
Ondertussen is de IBM-Cisco-alliantie zelf van plan om tussentijdse mijlpalen te presenteren : eerst verbindingen tussen twee QPU's in verschillende cryosystemen; vervolgens netwerken binnen hetzelfde datacenter; en later verbindingen tussen datacenters. Dit alles zal gepaard gaan met cofinanciering van academische en gezamenlijke onderzoeksprojecten om een breder kwantum-ecosysteem te bevorderen.
Deze samenwerking tussen IBM en Cisco schetst een beeld waarin kwantumcomputing niet langer een geïsoleerd experiment is , maar een integraal onderdeel wordt van de wereldwijde digitale infrastructuur. Als ze erin slagen de uitdagingen op het gebied van stabiliteit, foutcorrectie, interconnectie en beveiliging te overwinnen, zouden we in het volgende decennium de geboorte van een gedistribueerd kwantumnetwerk kunnen zien, dat sectoren zoals financiën, geneeskunde, logistiek en materiaalkunde kan transformeren, net zoals het internet de klassieke computerwereld voorgoed heeft veranderd.
