Квантовый интернет: как IBM и Cisco планируют соединить квантовые компьютеры

Информатек Диджитал » Ресурсы » Квантовый интернет: как IBM и Cisco планируют соединить квантовые компьютеры

В этом контексте вступает в игру альянс между IBM и Cisco . Эти два гиганта решили объединить усилия для проектирования и создания основы сети взаимосвязанных, отказоустойчивых квантовых компьютеров . Их цель — не только производство более мощных машин, но и обеспечение возможности их взаимодействия посредством квантовой коммуникационной инфраструктуры, что приведет к созданию того, что многие уже называют «Интернетом квантовых вычислений».

Кубиты: сердце современных квантовых вычислений

Чтобы понять, почему этот альянс так важен, мы должны сначала уточнить, что такое кубит и чем он отличается от классического бита . В то время как традиционные компьютеры работают с битами, которые могут быть только 0 или 1, кубиты подчиняются правилам квантовой механики и могут одновременно существовать в суперпозиции обоих состояний.

Благодаря этой квантовой суперпозиции квантовый процессор может параллельно исследовать множество состояний, число которых экспоненциально возрастает с увеличением числа кубитов. Например, компания IBM уже развернула семейство процессоров Heron, насчитывающее 133 кубита , в различных исследовательских центрах по всему миру, демонстрируя, что этот подход начинает находить применение за пределами лаборатории.

Согласно прогнозам компании, с процессором, состоящим примерно из 300 хорошо управляемых кубитов , можно было бы решать задачи, на решение которых самым мощным классическим суперкомпьютерам потребовались бы тысячи лет. К ним относятся сложные задачи химического моделирования, экстремальная финансовая оптимизация и разработка материалов с очень специфическими свойствами.

Однако ключ к решению проблемы заключается не только в увеличении числа кубитов, но и в повышении их стабильности и квантовой когерентности . В течение многих лет главной преградой в квантовых вычислениях было точное поддержание квантового состояния достаточно долго для выполнения полезных вычислений до того, как система начнет деградировать из-за шума и декогеренции.

К настоящему моменту IBM добилась значительных успехов в области квантовой коррекции ошибок . Компания не ограничилась улучшением точности каждого кубита в отдельности, а разработала схемы, в которых несколько физических кубитов работают избыточно, образуя более надежные логические кубиты, способные обнаруживать и исправлять ошибки в реальном времени. Это достижение имеет решающее значение для создания действительно отказоустойчивых машин.

Квантовая запутанность и сети: где на сцену выходит Cisco

После создания минимально стабильного квантового оборудования следующим шагом станет обеспечение взаимодействия различных процессоров друг с другом. Именно здесь проявляется опыт компании Cisco, которая сосредоточила свои исследования на так называемых квантовых сетях — инфраструктурах, способных передавать квантовую информацию, не разрушая её свойства.

Ключевым элементом этой головоломки является квантовая запутанность . Когда два кубита запутаны, состояние одного связано с состоянием другого, даже если они находятся на расстоянии нескольких километров друг от друга. Любое измерение одного из них мгновенно влияет на его партнера. Использование этого явления позволяет распределенной квантовой сети функционировать как единая, когерентная логическая система.

Команды Cisco работают над системами передачи, которые поддерживают эту квантовую запутанность на больших расстояниях с использованием оптоволокна . Простого повторного использования существующей интернет-инфраструктуры недостаточно: требуется разработка специальных элементов, таких как ретрансляторы или квантовые мосты, и управление отдельными фотонами, кодирующими квантовую информацию с минимальными потерями.

Перспективы этой технологии становятся очевидными, когда начинаешь задумываться о ее применении. Надежная квантовая сеть позволила бы, например, глобальному банку выполнять расчеты по оптимизации портфеля в режиме реального времени, распределяя рабочую нагрузку между несколькими квантовыми процессорами, расположенными на разных континентах, при этом уровень безопасности был бы намного выше, чем у существующих систем.

В области здравоохранения и материаловедения эта инфраструктура позволила бы проводить молекулярное моделирование в масштабах, немыслимых сегодня, что значительно ускорило бы разработку сложных лекарственных препаратов или поиск новых соединений с улучшенными свойствами, будь то для батарей, сверхпроводников или сверхпрочных материалов.

Цели альянса IBM и Cisco: от основных этапов к 2030 году

В этом контексте IBM и Cisco объявили о долгосрочном сотрудничестве с целью заложить основы для распределенных квантовых вычислений. Они нацелились на начало 2030-х годов, к тому времени рассчитывая подготовить ключевые компоненты функционального квантового интернета.

Первая важная задача, которую они поставили перед собой, — это установить приблизительный пятилетний срок для демонстрации концепции объединения нескольких крупномасштабных отказоустойчивых отдельных квантовых компьютеров. Идея заключается в том, что эти машины смогут выполнять совместные вычисления с десятками или даже сотнями тысяч кубитов , что намного превосходит возможности одной изолированной машины.

С точки зрения пропускной способности, эта экспериментальная сеть должна быть способна решать задачи, включающие миллиарды или триллионы квантовых вентилей — то есть колоссальное количество операций запутывания и манипуляций с квантовыми состояниями. Такой уровень сложности как раз необходим для таких революционных применений, как масштабная оптимизация или разработка лекарств следующего поколения.

IBM одновременно реализует собственную дорожную карту по созданию крупномасштабных отказоустойчивых квантовых компьютеров до конца этого десятилетия. Вместе с Cisco компания стремится пойти еще дальше: обеспечить, чтобы эти машины не оставались изолированными «островами» вычислительной мощности, а формировали распределенную сеть квантовых вычислений, которая бы увеличивала их общую производительность.

В этом подходе архитектура рассматривается как единое целое: аппаратное обеспечение для соединения квантовых компьютеров , программное обеспечение для координации распределенных между ними вычислений и уровни сетевого интеллекта, которые определяют, как и когда перемещать квантовую информацию от одного узла к другому, максимизируя производительность и надежность.

В среднесрочной перспективе обе компании планируют провести первую демонстрацию распределенной квантовой сети к концу 2030 года. Эта демонстрация будет основана на запутывании кубитов из нескольких независимых квантовых компьютеров, установленных в различных криогенных средах, что также представляет собой серьезную инженерно-физическую задачу.

Для этого потребуется изобрести и усовершенствовать новые технологии межсоединений, такие как микроволновые оптические преобразователи , которые преобразуют квантовые сигналы в микроволновом диапазоне (характерном для сверхпроводящих кубитов) в оптические фотоны, распространяющиеся по волокну, и наоборот. Кроме того, потребуется специализированный программный комплекс, способный управлять всем этим потоком квантовой информации без потери когерентности .

QPU, QNU и новый квантовый центр обработки данных

Одним из наиболее интересных концептуальных элементов плана является определение двух ключевых компонентов: квантового процессора (QPU) и квантового сетевого блока (QNU) . QPU, проще говоря, представляет собой сам квантовый процессор, в котором находятся стационарные кубиты, выполняющие вычисления.

QNU, в свою очередь, разработан как интерфейс квантовой сети, ответственный за преобразование стационарной квантовой информации QPU в то, что обычно называют «летающей» квантовой информацией: состояния, которые, как правило, перемещаются в виде фотонов через коммуникационную сеть.

IBM планирует создавать эти квантовые сетевые блоки, которые смогут выступать в качестве мостов между несколькими квантовыми процессорами в рамках одного квантового центра обработки данных. Роль Cisco будет заключаться в разработке сети, способной распределять запутанность между произвольными парами квантовых сетевых блоков по требованию, в зависимости от потребностей каждого алгоритма или приложения.

Для координации этой динамики ресурсов Cisco разрабатывает высокоскоростную программную протокольную структуру , которая может непрерывно и динамически перенастраивать сетевые пути. На практике это означает, что каналы квантовой запутанности создаются, уничтожаются и перенаправляются с высокой скоростью для обеспечения частичных вычислений, выполняемых различными квантовыми процессорами.

Еще одним направлением совместной работы является разработка так называемых «квантовых сетевых мостов », состоящих из оборудования следующего поколения и программного обеспечения с открытым исходным кодом. Эти мосты будут использовать сетевые узлы Cisco для соединения большого количества процессоров IBM QPU в пределах одного центра обработки данных, а в дальнейшем эта модель будет расширена на несколько взаимосвязанных центров.

В этом сценарии концепция квантового центра обработки данных полностью переосмысливается: речь идет уже не просто о развертывании стоек с классическими серверами, а об интеграции криостатов с квантовыми процессорами, квантовыми ядрами (QNU), оптическими преобразователями, квантовыми маршрутизаторами и смешанным уровнем классических и квантовых вычислений, работающих скоординированно.

За пределами одного здания: к квантовому интернету

Соединение двух квантовых компьютеров в одном помещении уже само по себе является сложной задачей, но настоящий прорыв заключается в передаче кубитов на большие расстояния , например, между зданиями или центрами обработки данных, расположенными на расстоянии нескольких километров друг от друга. Именно здесь вступают в игру оптические фотоны и уже развернутая по всему миру волоконно-оптическая инфраструктура.

IBM и Cisco будут исследовать способы интеграции технологий оптических фотонов и микроволново-оптических преобразователей в квантовую сеть, способную передавать информацию только тогда, когда это необходимо, минимизируя потери и поддерживая квантовую запутанность. Конечная цель — расширение этой квантовой сети от города к городу, от страны к стране и, в конечном итоге, в планетарном масштабе.

В этом возможном будущем так называемый квантовый вычислительный интернет не будет ограничиваться простым подключением квантовых компьютеров. Он также станет связующим звеном, объединяющим сверхчувствительные квантовые датчики, квантовые системы связи и другие распределенные устройства, которые обмениваются информацией удаленно, не теряя при этом преимуществ квантовой физики.

Рассматриваемые области применения весьма разнообразны: от сверхзащищенной связи (благодаря протоколам квантового распределения ключей, позволяющим определить, пытается ли кто-то шпионить) до гораздо более точного мониторинга окружающей среды, способного детально отслеживать климат, погоду, сейсмическую активность или даже очень деликатные промышленные процессы.

Всё это открывает двери к тому, что сами IBM и Cisco описывают как экспоненциально большее вычислительное пространство . Когда множество квантовых компьютеров работают вместе, и вы объединяете их с классическими суперкомпьютерами и ускорителями, такими как графические процессоры, вы получаете квантово-ориентированную суперкомпьютерную платформу, способную решать задачи, которые сегодня просто неразрешимы.

Параллельно IBM сотрудничает с такими учреждениями, как Центр сверхпроводящих квантовых материалов и систем (SQMS) , возглавляемый Фермилабом в США, чтобы изучить, сколько квантовых ядерных узлов (QNU) могут эффективно работать в этих квантовых центрах обработки данных и как масштабировать систему от нескольких взаимосвязанных квантовых процессоров до десятков или сотен в ближайшие годы.

Технические проблемы, кибербезопасность и реалистичные сроки

Хотя эти заявления могут звучать очень амбициозно, компании осознают, что впереди еще много серьезных технических препятствий . Квантовый шум, декогеренция и необходимость поддержания температуры, близкой к абсолютному нулю, остаются основными ограничениями при масштабировании оборудования.

Квантовые процессоры на основе сверхпроводящих схем должны работать при температуре около -273°C , что подразумевает сложные криостаты, высокое энергопотребление и требования к инфраструктуре, нехарактерные для традиционных центров обработки данных. Масштабирование до архитектур с сотнями тысяч отказоустойчивых логических кубитов представляет собой монументальную инженерную задачу.

На сетевом уровне хрупкость квантовой информации при передаче обуславливает необходимость разработки таких устройств, как квантовые преобразователи и ретрансляторы, обладающих очень высокой эффективностью и минимальными потерями. Кроме того, синхронизация квантовых операций между различными узлами с точностью до долей наносекунды — задача далеко не тривиальная.

Также наблюдается существенный недостаток зрелости в верхних уровнях программного обеспечения: необходимы квантовые протоколы маршрутизации , а также инструменты оркестровки для распределения квантовых задач, системы коррекции ошибок, координируемые между несколькими узлами, API для разработчиков, позволяющие программировать распределенные алгоритмы без чрезмерных усилий, и так далее.

В сфере безопасности есть две стороны медали. С одной стороны, достаточно мощные квантовые компьютеры могут взломать существующие криптографические алгоритмы, основанные на RSA или эллиптических кривых (ECC), поставив под угрозу банковские транзакции, военную связь или конфиденциальные медицинские данные. С другой стороны, эти же квантовые технологии предлагают такие инструменты, как квантовое распределение ключей, которые позволяют осуществлять теоретически невзламываемую защищенную связь.

Именно поэтому IBM, Cisco и другие игроки отрасли работают над постквантовой криптографией и протоколами квантовой безопасности, одновременно разрабатывая аппаратное обеспечение. Идея заключается в том, что к тому времени, когда квантовые компьютеры смогут атаковать существующие системы безопасности, у нас уже будут развернуты надежные альтернативы для противодействия этому новому типу угроз.

Что касается сроков, то оценки меняются всё быстрее. Несколько лет назад говорили, что полностью работоспособный квантовый компьютер появится не раньше 2040 года. Теперь IBM оценивает практическое применение квантовых вычислений в диапазоне от 5 до 10 лет для конкретных приложений и считает конец 2030-х годов разумным сроком для более зрелого квантового интернета.

Тем временем сам альянс IBM-Cisco планирует продемонстрировать промежуточные этапы : сначала — соединения между двумя квантовыми процессорами в разных криосистемах; затем — сети внутри одного центра обработки данных; и позже — соединения между центрами обработки данных. Все это будет сопровождаться софинансированием академических и совместных исследовательских проектов для развития более широкой квантовой экосистемы.

Сотрудничество IBM и Cisco рисует картину, в которой квантовые вычисления перестают быть изолированным экспериментом и начинают интегрироваться в качестве ключевого компонента глобальной цифровой инфраструктуры. Если им удастся преодолеть проблемы стабильности, коррекции ошибок, межсоединений и безопасности, мы можем стать свидетелями рождения распределенной квантовой сети в течение следующего десятилетия, способной трансформировать такие сектора, как финансы, медицина, логистика и материаловедение, подобно тому, как интернет навсегда изменил классические вычисления.

Связанная статья:

Quantum-Safe: проблема безопасности в эпоху квантовых вычислений