Kvantový internet: takto plánujú IBM a Cisco prepojiť kvantové počítače

Informatec Digital » Zdroje » Kvantový internet: takto plánujú IBM a Cisco prepojiť kvantové počítače

V tejto súvislosti prichádza na rad aliancia medzi spoločnosťami IBM a Cisco . Títo dvaja giganti sa rozhodli spojiť sily, aby navrhli a vybudovali základy siete prepojených kvantových počítačov odolných voči chybám . Ich cieľom nie je len vyrábať výkonnejšie stroje, ale aj umožniť týmto strojom spolupracovať prostredníctvom kvantovej komunikačnej infraštruktúry, čím vznikne to, čo mnohí už nazývajú „internet kvantových výpočtov“.

Qubity: srdce moderných kvantových výpočtov

Aby sme pochopili, prečo je táto aliancia taká relevantná, musíme si najprv objasniť, čo je qubit a ako sa líši od klasického bitu . Zatiaľ čo tradičné počítače pracujú s bitmi, ktoré môžu byť iba 0 alebo 1, qubity sa riadia pravidlami kvantovej mechaniky a môžu existovať v superpozícii oboch stavov súčasne.

Vďaka tejto kvantovej superpozícii môže kvantový procesor paralelne skúmať viacero stavov, ktoré exponenciálne rastú s počtom qubitov. Napríklad spoločnosť IBM už nasadila svoju rodinu procesorov Heron so 133 qubitmi v rôznych výskumných centrách po celom svete, čo dokazuje, že tento prístup začína byť užitočný aj mimo laboratória.

Projekcie spoločnosti naznačujú, že s procesorom s približne 300 dobre riadenými qubitmi by bolo možné riešiť problémy, ktoré by najvýkonnejším klasickým superpočítačom trvali tisíce rokov. Patria sem pokročilé chemické simulácie, extrémna finančná optimalizácia a návrh materiálov s veľmi špecifickými vlastnosťami.

Kľúčom však nie je len zvýšenie počtu qubitov, ale aj zlepšenie ich stability a kvantovej koherencie . Hlavnou prekážkou v kvantových výpočtoch bolo roky presné udržiavanie kvantového stavu dostatočne dlho na vykonanie užitočných výpočtov predtým, ako sa systém degraduje v dôsledku šumu a dekoherencie.

V tomto bode spoločnosť IBM dosiahla významný pokrok v oblasti kvantovej korekcie chýb . Spoločnosť sa neobmedzila len na zlepšenie presnosti každého qubitu jednotlivo, ale navrhla schémy, v ktorých viacero fyzických qubitov pracuje redundantne na vytváraní robustnejších logických qubitov, schopných detekovať a opravovať chyby v reálnom čase. Tento pokrok je kľúčový pre dosiahnutie skutočne odolných strojov voči chybám.

Kvantové previazanie a siete: kde vstupuje na scénu Cisco

Keď bude existovať minimálne stabilný kvantový hardvér, ďalším krokom je umožniť rôznym procesorom vzájomnú spoluprácu. Práve tu vyniká odbornosť spoločnosti Cisco, ktorá sa zameriava na výskum tzv. kvantových sietí – infraštruktúr schopnej prenášať kvantové informácie bez toho, aby sa poškodili ich vlastnosti.

Ústredným prvkom tejto skladačky je kvantové previazanie . Keď sú dva qubity previazané, stav jedného je prepojený so stavom druhého, aj keď sú od seba vzdialené kilometre. Akékoľvek meranie na jednom z nich okamžite ovplyvní jeho partnera. Využitie tohto javu umožňuje distribuovanej kvantovej sieti fungovať ako jeden, koherentný logický systém.

Tímy spoločnosti Cisco pracujú na prenosových systémoch, ktoré udržiavajú toto prepojenie na dlhé vzdialenosti pomocou optických vlákien . Samotné opätovné použitie existujúcej internetovej infraštruktúry nestačí: vyžaduje si to vývoj špecifických prvkov, ako sú opakovače alebo kvantové mosty, a správu jednotlivých fotónov, ktoré kódujú kvantové informácie s minimálnymi stratami.

Prísľub tejto technológie sa stáva úplne jasným, keď začnete premýšľať o jej aplikáciách. Robustná kvantová sieť by napríklad umožnila globálnej banke vykonávať výpočty optimalizácie portfólia v reálnom čase rozdelením pracovnej záťaže medzi niekoľko kvantových procesorov umiestnených na rôznych kontinentoch, a to všetko s úrovňou zabezpečenia oveľa vyššou ako súčasné systémy.

V oblasti zdravotníctva a materiálovej vedy by táto infraštruktúra uľahčila molekulárne simulácie v dnes nepredstaviteľnom rozsahu , čím by sa výrazne urýchlil návrh komplexných liekov alebo hľadanie nových zlúčenín s pokročilými vlastnosťami, či už ide o batérie, supravodiče alebo ultrarezistentné materiály.

Ciele aliancie IBM a Cisco: Od míľnikov do roku 2030

V tomto kontexte spoločnosti IBM a Cisco oznámili dlhodobú spoluprácu s cieľom položiť základy distribuovaných kvantových výpočtov. Svoje zámery si stanovili začiatkom 30. rokov 21. storočia, kedy očakávajú, že budú mať pripravené kľúčové komponenty funkčného kvantového internetu.

Prvým významným míľnikom, ktorý si stanovili, je približný päťročný časový rámec na demonštráciu konceptu prepojenia niekoľkých rozsiahlych, chybám odolných, samostatných kvantových počítačov. Myšlienka je, že tieto stroje budú schopné vykonávať spoločné výpočty s desiatkami alebo dokonca stovkami tisíc qubitov , čo ďaleko presahuje to, čo dokáže spracovať jeden izolovaný stroj.

Pokiaľ ide o kapacitu, táto experimentálna sieť by mala byť schopná spúšťať problémy zahŕňajúce miliardy alebo bilióny kvantových brán – teda kolosálny počet operácií previazania a manipulácií s kvantovými stavmi. Táto úroveň zložitosti je presne to, čo je potrebné pre transformačné aplikácie, ako je masívna optimalizácia alebo návrh liekov novej generácie.

Spoločnosť IBM súčasne pracuje na vlastnom pláne na dodávku rozsiahlych, chybám odolných kvantových počítačov do konca tohto desaťročia. So spoločnosťou Cisco sa snaží ísť ešte o krok ďalej: zabezpečiť, aby tieto stroje nezostali izolovanými „ostrovčekmi“ výpočtového výkonu, ale aby tvorili distribuovanú kvantovú výpočtovú sieť , ktorá zosilní ich celkovú kapacitu.

V tomto prístupe je architektúra koncipovaná ako celok: hardvér na prepojenie kvantových počítačov , softvér na koordináciu výpočtov distribuovaných medzi nimi a vrstvy sieťovej inteligencie, ktoré rozhodujú o tom, ako a kedy presunúť kvantové informácie z jedného uzla do druhého, čím sa maximalizuje výkon a spoľahlivosť.

V strednodobom horizonte sa obe spoločnosti zameriavajú na úvodnú demonštráciu distribuovanej kvantovej siete do konca roka 2030. Táto demonštrácia bude založená na prepletení qubitov z niekoľkých nezávislých kvantových počítačov inštalovaných v rôznych kryogénnych prostrediach, čo zároveň predstavuje významnú výzvu z hľadiska fyzikálneho inžinierstva.

Aby to bolo možné, bude potrebné vynájsť a zdokonaliť nové technológie prepojenia, ako sú mikrovlnné optické prevodníky , ktoré premieňajú kvantové signály v mikrovlnnom rozsahu (typické pre supravodivé qubity) na optické fotóny, ktoré prechádzajú vláknom a naopak. Okrem toho bude potrebný špecializovaný softvérový balík schopný riadiť všetok tento tok kvantových informácií bez straty koherencie .

QPU, QNU a nové kvantové dátové centrum

Jedným z najzaujímavejších koncepčných prvkov plánu je definícia dvoch kľúčových komponentov: QPU (Quantum Processing Unit) a QNU (Quantum Network Unit) . QPU je, zjednodušene povedané, samotný kvantový procesor, v ktorom sa nachádzajú stacionárne qubity vykonávajúce výpočty.

QNU je zas navrhnutá ako rozhranie kvantovej siete zodpovedné za transformáciu stacionárnych kvantových informácií QPU na to, čo sa zvyčajne nazýva „lietajúce“ kvantové informácie: stavy, ktoré sa vo všeobecnosti prenášajú zakódované vo fotónoch cez komunikačnú sieť.

Spoločnosť IBM plánuje vybudovať tieto kvantové sieťové jednotky tak, aby mohli fungovať ako mosty medzi viacerými QPU v rámci jedného kvantového dátového centra. Úlohou spoločnosti Cisco bude navrhnúť sieť schopnú distribuovať previazanie medzi ľubovoľnými pármi QNU na požiadanie, v závislosti od potrieb každého algoritmu alebo aplikácie.

Na koordináciu tejto dynamiky zdrojov spoločnosť Cisco vyvíja vysokorýchlostný softvérový protokolový rámec , ktorý dokáže nepretržite a dynamicky prekonfigurovať sieťové cesty. V praxi to znamená, že kvantovo prepojené prepojenia sa vytvárajú, ničia a presmerovávajú vysokou rýchlosťou, aby sa zabezpečili čiastočné výpočty, ktoré vykonávajú rôzne kvantovo prepojené jednotky (QPU).

Ďalšou oblasťou spoločnej práce je vývoj tzv. „kvantových sieťových mostov “, ktoré sa skladajú z hardvéru novej generácie a softvéru s otvoreným zdrojovým kódom. Tieto mosty budú využívať sieťové uzly Cisco na prepojenie veľkého počtu kvantových procesorov IBM v rámci jedného dátového centra a neskôr rozšíria tento model na viacero prepojených centier.

V tomto scenári je koncept kvantového dátového centra úplne predefinovaný: už nejde len o nasadenie rackov s klasickými servermi, ale o integráciu kryostatov s kvantovými procesormi, QNU, optickými prevodníkmi, kvantovými smerovačmi a zmiešanou vrstvou klasických a kvantových výpočtov pracujúcich koordinovaným spôsobom.

Za hranicami jednej budovy: smerom ku kvantovému internetu

Prepojenie dvoch kvantových počítačov v tej istej miestnosti je už samo o sebe výzvou, ale skutočný skok vpred spočíva v prenose qubitov na väčšie vzdialenosti , napríklad medzi budovami alebo dátovými centrami vzdialenými kilometre. Tu prichádzajú na rad optické fotóny a infraštruktúra optických vlákien, ktorá je už nasadená po celom svete .

Spoločnosti IBM a Cisco budú skúmať, ako integrovať technológie optických fotónov a mikrovlnných optických prevodníkov do kvantovej siete, ktorá dokáže prenášať informácie iba v prípade potreby, minimalizovať straty a zachovať previazanosť. Konečným cieľom je rozšíriť túto kvantovú sieť mesto po meste, krajinu po krajine a nakoniec v planetárnom meradle.

V tejto možnej budúcnosti sa takzvaný kvantový počítačový internet neobmedzí len na prepojenie kvantových počítačov. Bude tiež spojivom, ktoré spojí ultracitlivé kvantové senzory, kvantové komunikačné systémy a ďalšie distribuované zariadenia, ktoré si budú vymieňať informácie na diaľku bez straty výhod kvantovej fyziky.

Zvažované aplikácie sú veľmi rozmanité: od ultrabezpečnej komunikácie (vďaka protokolom kvantovej distribúcie kľúčov, ktoré umožňujú zistiť, či sa niekto pokúša špehovať) až po oveľa presnejšie monitorovanie životného prostredia, ktoré dokáže podrobne sledovať klímu, počasie, seizmickú aktivitu alebo dokonca veľmi citlivé priemyselné procesy.

Toto všetko otvára dvere k tomu, čo samotné spoločnosti IBM a Cisco opisujú ako exponenciálne väčší výpočtový priestor . Keď máte veľa kvantových počítačov spolupracujúcich a skombinujete ich s klasickými superpočítačmi a akcelerátormi, ako sú GPU, získate kvantovo-centrický superpočítačový rámec, ktorý dokáže riešiť problémy, ktoré sú dnes jednoducho neriešiteľné.

Súbežne spoločnosť IBM spolupracuje s inštitúciami, ako je Centrum pre supravodivé kvantové materiály a systémy (SQMS) , ktoré vedie spoločnosť Fermilab v Spojených štátoch, s cieľom preskúmať, koľko kvantových kvantových jednotiek (QNU) môže efektívne fungovať v týchto kvantových dátových centrách a ako ich v nasledujúcich rokoch škálovať z niekoľkých prepojených QPU na desiatky alebo stovky.

Technické výzvy, kybernetická bezpečnosť a realistický časový harmonogram

Hoci sa táto prednáška môže zdať veľmi ambiciózna, spoločnosti si uvedomujú, že ich čakajú stále veľmi vážne technické prekážky . Kvantový šum, dekoherencia a potreba udržiavať teploty blízko absolútnej nuly zostávajú hlavnými obmedzeniami, pokiaľ ide o škálovanie hardvéru.

Kvantové procesory založené na supravodivých obvodoch musia pracovať pri teplote okolo -273 °C , čo znamená zložité kryostaty, spotrebu energie a požiadavky na infraštruktúru, ktoré sú v tradičných dátových centrách nezvyčajné. Škálovanie na architektúry so stovkami tisíc logických qubitov odolných voči chybám je monumentálnou inžinierskou výzvou.

Na úrovni siete si krehkosť kvantových informácií počas prenosu vyžaduje vývoj zariadení, ako sú kvantové prevodníky a opakovače s veľmi vysokou účinnosťou a minimálnymi stratami. Okrem toho, synchronizácia kvantových operácií medzi rôznymi uzlami s presnosťou na subnanosekundy nie je ani zďaleka triviálna.

Výrazný nedostatok zrelosti je aj v horných vrstvách softvéru: sú potrebné kvantové smerovacie protokoly , ako aj nástroje na orchestráciu na distribúciu kvantových úloh, systémy na korekciu chýb koordinované medzi viacerými uzlami, API pre vývojárov na programovanie distribuovaných algoritmov bez toho, aby sa zbláznili, atď.

V oblasti bezpečnosti existujú dve strany mince. Na jednej strane by dostatočne výkonné kvantové počítače mohli prelomiť súčasné kryptografické algoritmy založené na RSA alebo eliptických krivkách (ECC), čím by ohrozili bankové transakcie, vojenskú komunikáciu alebo citlivé lekárske údaje. Na druhej strane tie isté kvantové techniky ponúkajú nástroje, ako je kvantová distribúcia kľúčov, ktoré umožňujú teoreticky neprelomiteľnú bezpečnú komunikáciu.

Preto spoločnosti IBM, Cisco a ďalší hráči v tomto odvetví pracujú na postkvantovej kryptografii a kvantových bezpečnostných protokoloch a zároveň vyvíjajú hardvér. Myšlienka je taká, že v čase, keď budú kvantové počítače schopné útočiť na súčasné bezpečnostné systémy, už budeme mať k dispozícii robustné alternatívy na boj proti tomuto novému typu hrozby.

Pokiaľ ide o časový harmonogram, odhady sa zrýchľujú. Pred niekoľkými rokmi sa hovorilo, že plne funkčný kvantový počítač nepríde pred rokom 2040. Teraz IBM odhaduje, že praktické kvantové výpočty budú pre konkrétne aplikácie dostupné v rozmedzí 5 až 10 rokov a koniec 30. rokov 21. storočia označuje za rozumný časový rámec pre zrelší kvantový internet.

Medzitým samotná aliancia IBM-Cisco plánuje predstaviť prechodné míľniky : najprv prepojenia medzi dvoma kvantovými kvantovými jednotkami (QPU) v rôznych kryosystémoch, potom siete v rámci toho istého dátového centra a neskôr prepojenia medzi dátovými centrami. Toto všetko bude sprevádzané spolufinancovaním akademických a kolaboratívnych výskumných projektov na podporu širšieho kvantového ekosystému.

Táto spolupráca medzi spoločnosťami IBM a Cisco vykresľuje obraz, v ktorom kvantové výpočty prestávajú byť izolovaným experimentom a začínajú sa integrovať ako kľúčová súčasť globálnej digitálnej infraštruktúry. Ak sa im podarí prekonať výzvy týkajúce sa stability, korekcie chýb, prepojenia a bezpečnosti, mohli by sme v nasledujúcom desaťročí vidieť zrod distribuovanej kvantovej siete, ktorá bude schopná transformovať sektory ako financie, medicína, logistika a materiálové vedy, rovnako ako internet navždy zmenil klasické výpočty.