- IBM in Cisco sta združila moči, da bi ustvarila porazdeljeno omrežje kvantnih računalnikov, odpornih na napake, in s tem postavila temelje za prihodnji kvantni internet.
- Projekt združuje napredne kvantne procesorje (QPU) s kvantnimi omrežnimi enotami (QNU) in novimi komunikacijskimi protokoli za prepletanje kubitov na dolge razdalje.
- Mejniki vključujejo prvi dokaz koncepta v petih letih in predstavitev skalabilnega kvantnega omrežja do leta 2030, ki povezuje več podatkovnih centrov.
- Če bodo tehnični in varnostni izzivi premagani, bo to omrežje omogočilo reševanje problemov optimizacije, simulacije in varne komunikacije, ki so za klasično računalništvo nedosegljivi.
V tem kontekstu pride v poštev zavezništvo med IBM-om in Ciscom . Ta dva velikana sta se odločila združiti moči pri zasnovi in izgradnji temeljev omrežja medsebojno povezanih, na napake odpornih kvantnih računalnikov . Njun cilj ni le izdelava zmogljivejših strojev, temveč tudi omogočanje sodelovanja teh strojev prek kvantne komunikacijske infrastrukture, kar bo privedlo do tega, kar mnogi že imenujejo "internet kvantnega računalništva".
Kubiti: srce sodobnega kvantnega računalništva
Da bi razumeli, zakaj je ta zveza tako pomembna, moramo najprej razjasniti, kaj je kubit in kako se razlikuje od klasičnega bita . Medtem ko tradicionalni računalniki delujejo z biti, ki so lahko le 0 ali 1, kubite urejajo pravila kvantne mehanike in lahko obstajajo v superpoziciji obeh stanj hkrati.
Zahvaljujoč tej kvantni superpoziciji lahko kvantni procesor vzporedno raziskuje več stanj, ki eksponentno rastejo s številom kubitov. IBM je na primer že namestil svojo družino procesorjev Heron s 133 kubiti v različnih raziskovalnih centrih po vsem svetu, kar dokazuje, da se ta pristop začenja uporabljati tudi zunaj laboratorija.
Projekcije podjetja kažejo, da bi bilo s procesorjem s približno 300 dobro nadzorovanimi kubiti mogoče rešiti probleme, za katere bi najzmogljivejši klasični superračunalniki potrebovali tisoče let. Mednje spadajo napredna kemijska simulacija, ekstremna finančna optimizacija in načrtovanje materialov z zelo specifičnimi lastnostmi.
Ključ pa ni le v povečanju števila kubitov, temveč v izboljšanju njihove stabilnosti in kvantne koherence . Glavna ovira v kvantnem računalništvu je že leta natančno vzdrževanje kvantnega stanja dovolj dolgo, da se lahko izvedejo uporabni izračuni, preden se sistem zaradi šuma in dekoherence degradira.
Na tej točki je IBM dosegel pomemben napredek na področju kvantne korekcije napak . Podjetje se ni omejilo le na izboljšanje natančnosti vsakega kubita posebej, temveč je zasnovalo sheme, v katerih več fizičnih kubitov deluje redundantno in tvori robustnejše logične kubite, ki so sposobni zaznavati in popravljati napake v realnem času. Ta napredek je ključnega pomena za doseganje resnično odpornih strojev.
Kvantna prepletenost in omrežja: kjer na sceno vstopa Cisco
Ko bo obstajala minimalno stabilna kvantna strojna oprema, bo naslednji korak omogočiti medsebojno sodelovanje različnih procesorjev. Tukaj se izkaže strokovno znanje podjetja Cisco, saj svoje raziskave osredotočajo na tako imenovana kvantna omrežja – infrastrukture, ki so sposobne prenašati kvantne informacije, ne da bi pri tem uničile njihove lastnosti.
Osrednji del te sestavljanke je kvantna prepletenost . Ko sta dva kubita prepletena, je stanje enega povezano s stanjem drugega, tudi če sta kilometre narazen. Vsaka meritev na enem od njiju takoj vpliva na njegovega partnerja. Izkoriščanje tega pojava omogoča, da porazdeljeno kvantno omrežje deluje kot en sam, koherenten logični sistem.
Ciscove ekipe delajo na prenosnih sistemih, ki vzdržujejo to prepletenost na dolge razdalje z uporabo optičnih vlaken . Preprosta ponovna uporaba obstoječe internetne infrastrukture ni dovolj: zahteva razvoj specifičnih elementov, kot so repetitorji ali kvantni mostovi, in upravljanje posameznih fotonov, ki kodirajo kvantne informacije z minimalnimi izgubami.
Obljuba te tehnologije postane zelo jasna, ko začnete razmišljati o njenih aplikacijah. Robustno kvantno omrežje bi na primer globalni banki omogočilo izvajanje izračunov optimizacije portfelja v realnem času z porazdelitvijo delovne obremenitve med več kvantnih procesorjev, ki se nahajajo na različnih celinah, vse z ravnijo varnosti, ki je veliko višja od ravni trenutnih sistemov.
Na področju zdravstva in znanosti o materialih bi ta infrastruktura olajšala molekularne simulacije v obsegu, ki si ga danes ne moremo predstavljati, s čimer bi precej pospešila načrtovanje kompleksnih zdravil ali iskanje novih spojin z naprednimi lastnostmi, pa naj gre za baterije, superprevodnike ali ultra odporne materiale.
Cilji zavezništva IBM in Cisco: od mejnikov do leta 2030
S tem v mislih sta IBM in Cisco napovedala dolgoročno sodelovanje za postavitev temeljev za porazdeljeno kvantno računalništvo. Svoje cilje sta usmerila v zgodnja trideseta leta 2030. stoletja, do takrat pa pričakujeta, da bodo ključne komponente delujočega kvantnega interneta pripravljene.
Prvi večji mejnik, ki so si ga zastavili, je približni petletni časovni okvir za demonstracijo koncepta, ki povezuje več obsežnih, na napake odpornih, posameznih kvantnih računalnikov. Ideja je, da bodo ti stroji sposobni izvajati skupne izračune z več deset ali celo sto tisoč kubiti , kar daleč presega tisto, kar lahko obdela en sam izoliran stroj.
Kar zadeva zmogljivost, bi moralo biti to eksperimentalno omrežje sposobno izvajati probleme, ki vključujejo milijarde ali trilijone kvantnih vrat – torej ogromno število operacij prepletanja in manipulacij kvantnih stanj. Ta raven kompleksnosti je ravno tisto, kar je potrebno za transformativne aplikacije, kot sta množična optimizacija ali načrtovanje zdravil naslednje generacije.
IBM hkrati sledi svojemu načrtu za dobavo obsežnih, na napake odpornih kvantnih računalnikov pred koncem tega desetletja. S Ciscom želi doseči še korak dlje: zagotoviti, da ti stroji ne bodo ostali izolirani "otoki" računalniške moči, temveč bodo tvorili porazdeljeno kvantno računalniško omrežje , ki bo povečalo njihovo skupno zmogljivost.
Pri tem pristopu je arhitektura zasnovana kot celota: strojna oprema za povezovanje kvantnih računalnikov , programska oprema za usklajevanje izračunov, porazdeljenih med njimi, in plasti omrežne inteligence, ki odločajo, kako in kdaj premakniti kvantne informacije iz enega vozlišča v drugo, s čimer se povečata zmogljivost in zanesljivost.
Srednjeročno si obe podjetji prizadevata za prvo predstavitev porazdeljenega kvantnega omrežja do konca leta 2030. Ta predstavitev bo temeljila na prepletanju kubitov iz več neodvisnih kvantnih računalnikov, nameščenih v različnih kriogenih okoljih, kar predstavlja tudi pomemben izziv za fizikalno inženirstvo.
Da bi to omogočili, bo treba izumiti in izpopolniti nove tehnologije medsebojnega povezovanja, kot so mikrovalovni optični pretvorniki , ki pretvarjajo kvantne signale v mikrovalovnem območju (značilno za superprevodne kubite) v optične fotone, ki potujejo skozi vlakna, in obratno. Poleg tega bo potreben specializiran programski paket , ki bo sposoben orkestrirati ves ta tok kvantnih informacij brez izgube koherence .
QPU, QNU in novi kvantni podatkovni center
Eden najzanimivejših konceptualnih elementov načrta je opredelitev dveh ključnih komponent: QPU (kvantne procesne enote) in QNU (kvantne omrežne enote) . QPU je, poenostavljeno povedano, sam kvantni procesor, kjer se nahajajo stacionarni kubiti, ki izvajajo izračune.
QNU pa je zasnovan kot kvantni omrežni vmesnik , odgovoren za pretvorbo stacionarnih kvantnih informacij QPU v tako imenovane "leteče" kvantne informacije: stanja, ki potujejo, običajno kodirana v fotonih, prek komunikacijskega omrežja.
IBM namerava zgraditi te kvantne omrežne enote, da bodo lahko delovale kot mostovi med več QPU-ji znotraj enega samega kvantnega podatkovnega centra. Ciscova vloga bo zasnovati omrežje, ki bo sposobno porazdeliti prepletenost med poljubnimi pari QNU-jev na zahtevo, odvisno od potreb posameznega algoritma ali aplikacije.
Za usklajevanje te dinamike virov Cisco razvija ogrodje za visokohitrostni programski protokol , ki lahko neprekinjeno in dinamično preoblikuje omrežne poti. V praksi to pomeni, da se povezave kvantne prepletenosti ustvarjajo, uničujejo in preusmerjajo z veliko hitrostjo, da bi se zagotovile delne izračune, ki jih izvajajo različni kvantni prepletni procesorji (QPU).
Drugo področje skupnega dela je razvoj tako imenovanih "kvantnih omrežnih mostov ", sestavljenih iz strojne opreme naslednje generacije in programske opreme z odprto kodo. Ti mostovi bodo uporabljali omrežna vozlišča Cisco za medsebojno povezovanje velikega števila IBM QPU-jev znotraj enega samega podatkovnega centra in kasneje razširili ta model na več medsebojno povezanih centrov.
V tem scenariju je koncept kvantnega podatkovnega centra popolnoma na novo opredeljen: ne gre več le za namestitev regalov klasičnih strežnikov, temveč za integracijo kriostatov s kvantnimi procesorji, kvantnimi numberji (QNU), optičnimi pretvorniki, kvantnimi usmerjevalniki in mešano plastjo klasičnega in kvantnega računalništva, ki deluje usklajeno.
Onkraj ene same stavbe: proti kvantnemu internetu
Povezovanje dveh kvantnih računalnikov v istem prostoru je že samo po sebi izziv, toda pravi korak naprej je v prenosu kubitov na večje razdalje , na primer med stavbami ali podatkovnimi centri, ki so oddaljeni kilometre. Tukaj pridejo v poštev optični fotoni in infrastruktura optičnih vlaken, ki je že nameščena po vsem svetu .
IBM in Cisco bosta raziskovala, kako integrirati tehnologije optičnih fotonov in mikrovalovno-optičnih pretvornikov v kvantno omrežje, ki lahko prenaša informacije le, kadar so potrebne, s čimer se zmanjšajo izgube in ohrani prepletenost. Končni cilj je razširiti to kvantno omrežje iz mesta v mesto, iz države v državo in sčasoma na planetarni ravni.
V tej možni prihodnosti tako imenovani kvantni računalniški internet ne bo omejen zgolj na povezovanje kvantnih računalnikov. To bo tudi vezivo, ki bo povezovalo ultra občutljive kvantne senzorje, kvantne komunikacijske sisteme in druge porazdeljene naprave, ki si bodo na daljavo izmenjevale informacije, ne da bi pri tem izgubile prednosti kvantne fizike.
Obravnavane aplikacije so zelo raznolike: od ultra varnih komunikacij (zahvaljujoč protokolom za distribucijo kvantnih ključev, ki omogočajo, da veste, ali nekdo poskuša vohuniti) do veliko natančnejšega spremljanja okolja, ki lahko podrobno spremlja podnebje, vreme, seizmično aktivnost ali celo zelo občutljive industrijske procese.
Vse to odpira vrata v tisto, kar IBM in Cisco sama opisujeta kot eksponentno večji računalniški prostor . Ko imate veliko kvantnih računalnikov, ki delujejo skupaj, in jih združite s klasičnimi superračunalniki in pospeševalniki, kot so grafični procesorji, dobite kvantno osredotočen superračunalniški okvir, ki se lahko spopade s problemi, ki so danes preprosto nerešljivi.
Vzporedno IBM sodeluje z institucijami, kot je Center za superprevodne kvantne materiale in sisteme (SQMS) , ki ga vodi Fermilab v Združenih državah Amerike, da bi preučil, koliko kvantnih enot (QNU) lahko učinkovito deluje v teh kvantnih podatkovnih centrih in kako v prihodnjih letih povečati število od nekaj medsebojno povezanih QPU-jev na več deset ali več sto.
Tehnični izzivi, kibernetska varnost in realističen časovni načrt
Čeprav se govor morda sliši zelo ambiciozno, se podjetja zavedajo, da so pred njimi še vedno zelo resne tehnične ovire . Kvantni šum, dekoherenca in potreba po vzdrževanju temperatur blizu absolutne ničle ostajajo glavne omejitve pri povečanju strojne opreme.
Kvantni procesorji, ki temeljijo na superprevodnih vezjih, morajo delovati pri temperaturi okoli -273 °C , kar pomeni kompleksne kriostate, porabo energije in infrastrukturne zahteve, ki so v tradicionalnih podatkovnih centrih nenavadne. Povečanje obsega arhitektur s sto tisoči logičnimi kubiti, odpornimi na napake, je ogromen inženirski izziv.
Na ravni omrežja krhkost kvantnih informacij med prenosom zahteva razvoj naprav, kot so kvantni pretvorniki in repetitorji z zelo visoko učinkovitostjo in minimalnimi izgubami. Poleg tega sinhronizacija kvantnih operacij med različnimi vozlišči s subnanosekundno natančnostjo še zdaleč ni trivialna.
Prav tako je prisotno znatno pomanjkanje zrelosti v zgornjih plasteh programske opreme: potrebni so protokoli za kvantno usmerjanje , pa tudi orodja za orkestracijo za distribucijo kvantnih nalog, sistemi za odpravljanje napak, usklajeni med več vozlišči, API-ji za razvijalce, da lahko programirajo porazdeljene algoritme, ne da bi pri tem pretiravali, in tako naprej.
Na področju varnosti obstajata dve plati medalje. Po eni strani bi lahko dovolj zmogljivi kvantni računalniki razbili trenutne kriptografske algoritme, ki temeljijo na RSA ali eliptičnih krivuljah (ECC), in s tem ogrozili bančne transakcije, vojaško komunikacijo ali občutljive medicinske podatke. Po drugi strani pa te iste kvantne tehnike ponujajo orodja, kot je kvantna distribucija ključev, ki omogočajo teoretično nerazbojno varno komunikacijo.
Zato IBM, Cisco in drugi akterji v industriji delajo na postkvantni kriptografiji in protokolih za kvantno varnost, hkrati pa razvijajo strojno opremo. Ideja je, da bomo do takrat, ko bodo kvantni računalniki sposobni napadati trenutne varnostne sisteme, že imeli na voljo robustne alternative za boj proti tej novi vrsti grožnje.
Kar zadeva časovnico, se ocene pospešujejo. Pred nekaj leti je bilo rečeno, da popolnoma delujoč kvantni računalnik ne bo prišel pred letom 2040. Zdaj IBM umešča praktično kvantno računalništvo v razpon od 5 do 10 let za specifične aplikacije in označuje konec 2030-ih kot razumen časovni okvir za bolj zrel kvantni internet.
Medtem pa načrtuje zavezništvo IBM-Cisco predstavitev vmesnih mejnikov : najprej povezave med dvema kvantnima enotama (QPU) v različnih kriosistemih, nato omrežja znotraj istega podatkovnega centra in kasneje povezave med podatkovnimi centri. Vse to bo spremljalo sofinanciranje akademskih in skupnih raziskovalnih projektov za spodbujanje širšega kvantnega ekosistema.
To sodelovanje med IBM-om in Ciscom kaže, da kvantno računalništvo preneha biti izoliran eksperiment in se začenja integrirati kot ključna komponenta globalne digitalne infrastrukture. Če jim uspe premagati izzive stabilnosti, odpravljanja napak, medsebojne povezanosti in varnosti, bi lahko v naslednjem desetletju priča rojstvu porazdeljenega kvantnega omrežja, ki bo sposobno preoblikovati sektorje, kot so finance, medicina, logistika in znanost o materialih, tako kot je internet za vedno spremenil klasično računalništvo.
