Kvantinternet: så här planerar IBM och Cisco att koppla samman kvantdatorer

Informatec Digital » Resurser » Kvantinternet: så här planerar IBM och Cisco att koppla samman kvantdatorer

I detta sammanhang spelar alliansen mellan IBM och Cisco en roll . Dessa två jättar har beslutat att gå samman för att designa och bygga grunden för ett nätverk av sammankopplade, feltoleranta kvantdatorer . Deras mål är inte bara att tillverka kraftfullare maskiner, utan också att göra det möjligt för dessa maskiner att samarbeta genom en kvantkommunikationsinfrastruktur, vilket ger upphov till det som många redan kallar "kvantberäkningens internet".

Qubits: hjärtat i modern kvantberäkning

För att förstå varför denna allians är så relevant måste vi först klargöra vad en qubit är och hur den skiljer sig från en klassisk bit . Medan traditionella datorer arbetar med bitar som bara kan vara 0 eller 1, styrs qubitar av kvantmekanikens regler och kan existera i en superposition av båda tillstånden samtidigt.

Tack vare denna kvantsuperposition kan en kvantprocessor parallellt utforska ett antal tillstånd som växer exponentiellt med antalet qubits. IBM har till exempel redan driftsatt sin Heron-processorfamilj, med 133 qubits , i olika forskningscentra runt om i världen, vilket visar att denna metod börjar bli användbar även utanför laboratoriet.

Företagets prognoser indikerar att det med en processor på cirka 300 välkontrollerade qubitar skulle vara möjligt att lösa problem som skulle ta tusentals år för de mest kraftfulla klassiska superdatorerna. Dessa inkluderar avancerad kemisk simulering, extrem finansiell optimering och design av material med mycket specifika egenskaper.

Nyckeln ligger dock inte bara i att öka antalet qubits, utan också i att förbättra deras stabilitet och kvantkoherens . I åratal har det största hindret inom kvantberäkning varit att exakt bibehålla kvanttillståndet tillräckligt länge för att utföra användbara beräkningar innan systemet försämras på grund av brus och dekoherens.

Vid det här laget har IBM gjort betydande framsteg inom kvantfelkorrigering . Företaget har inte begränsat sig till att förbättra återgivningen av varje qubit individuellt, utan har utformat scheman där flera fysiska qubitar arbetar redundant för att skapa mer robusta logiska qubitar, kapabla att upptäcka och korrigera fel i realtid. Denna utveckling är avgörande för att uppnå verkligt feltoleranta maskiner.

Kvantförvirring och nätverk: där Cisco kommer in på scenen

När minimalt stabil kvanthårdvara finns är nästa steg att göra det möjligt för olika processorer att samarbeta med varandra. Det är här Ciscos expertis lyser, eftersom de fokuserar sin forskning på vad de kallar kvantnätverk – infrastrukturer som kan överföra kvantinformation utan att förstöra dess egenskaper.

Den centrala pusselbiten är kvantsammanflätning . När två qubitar sammanflätas, kopplas tillståndet hos den ena till den andra, även om de är kilometer ifrån varandra. Varje mätning på en av dem påverkar omedelbart dess partner. Att utnyttja detta fenomen är det som gör att ett distribuerat kvantnätverk kan fungera som ett enda, sammanhängande logiskt system.

Cisco-team arbetar med överföringssystem som upprätthåller denna sammanflätning över långa avstånd med hjälp av fiberoptik . Att bara återanvända den befintliga internetinfrastrukturen räcker inte: det kräver utveckling av specifika element som repeatrar eller kvantbryggor och hantering av enskilda fotoner som kodar kvantinformation med minimal förlust.

Löftet med denna teknik blir mycket tydligt när man börjar fundera över dess tillämpningar. Ett robust kvantnätverk skulle göra det möjligt för till exempel en global bank att utföra portföljoptimeringsberäkningar i realtid genom att fördela arbetsbelastningen mellan flera kvantprocessorer på olika kontinenter, alla med en säkerhetsnivå som är vida överlägsen den hos nuvarande system.

Inom hälso- och materialvetenskap skulle denna infrastruktur underlätta molekylära simuleringar i en skala som är otänkbar idag, vilket skulle göra designen av komplexa läkemedel eller sökandet efter nya föreningar med avancerade egenskaper mycket snabbare, oavsett om det gäller batterier, supraledare eller ultraresistenta material.

IBM och Cisco Alliances mål: Från milstolpar till 2030

Med detta i åtanke har IBM och Cisco tillkännagivit ett långsiktigt samarbete för att lägga grunden för distribuerad kvantberäkning. De har siktet inställt på början av 2030-talet, då de förväntar sig att ha nyckelkomponenterna i ett fungerande kvantinternet redo.

Den första stora milstolpen de har satt är en tidsram på ungefär fem år för att demonstrera ett koncepttest som kopplar samman flera storskaliga, feltoleranta, individuella kvantdatorer. Tanken är att dessa maskiner ska kunna utföra gemensamma beräkningar med tiotals eller till och med hundratusentals qubits , långt utöver vad en enda isolerad maskin kan hantera.

Kapacitetsmässigt borde detta experimentella nätverk kunna köra problem som involverar miljarder eller biljoner kvantgrindar – det vill säga ett kolossalt antal sammanflätningsoperationer och manipulationer av kvanttillstånd. Denna komplexitetsnivå är precis vad som behövs för transformativa tillämpningar som massiv optimering eller design av nästa generations läkemedel.

IBM arbetar samtidigt med sin egen färdplan för att leverera storskaliga, feltoleranta kvantdatorer före slutet av detta decennium. Det de strävar efter att uppnå med Cisco är att gå ett steg längre: att säkerställa att dessa maskiner inte förblir isolerade "öar" av datorkraft, utan snarare bildar ett distribuerat kvantberäkningsnätverk som förstärker deras totala kapacitet.

I den här metoden är arkitekturen uppfattad som en helhet: hårdvara för att koppla samman kvantdatorerna , programvara för att koordinera beräkningar som är distribuerade mellan dem, och lager av nätverksintelligens som bestämmer hur och när kvantinformation ska flyttas från en nod till en annan, vilket maximerar prestanda och tillförlitlighet.

På medellång sikt siktar de två företagen på att ha en första demonstration av ett distribuerat kvantnätverk i slutet av 2030. Denna demonstration kommer att baseras på sammanflätning av qubits från flera oberoende kvantdatorer, installerade i olika kryogena miljöer, vilket också medför en betydande fysikteknisk utmaning.

För att göra detta möjligt kommer det att vara nödvändigt att uppfinna och förfina nya sammankopplingstekniker, såsom mikrovågsoptiska givare som omvandlar kvantsignaler i mikrovågsområdet (typiskt för supraledande qubits) till optiska fotoner som färdas genom fiber, och vice versa. Dessutom kommer det att krävas en specialiserad programvarustack som kan orkestrera allt detta flöde av kvantinformation utan att förlora koherens.

QPU, QNU och det nya kvantdatacentret

En av de mest intressanta konceptuella delarna av planen är definitionen av två nyckelkomponenter: QPU (Quantum Processing Unit) och QNU (Quantum Network Unit) . QPU är, enkelt uttryckt, själva kvantprocessorn, där de stationära qubits som utför beräkningarna finns.

QNU, för sin del, är utformad som det kvantnätverksgränssnitt som ansvarar för att omvandla den stationära kvantinformationen från QPU till det som vanligtvis kallas "flygande" kvantinformation: tillstånd som i allmänhet färdas kodade i fotoner genom ett kommunikationsnätverk.

IBM planerar att bygga dessa kvantnätverksenheter så att de kan fungera som broar mellan flera kvantdatacenterenheter inom ett enda kvantdatacenter. Ciscos roll kommer att vara att designa ett nätverk som kan distribuera sammanflätning mellan godtyckliga par av kvantdatacenterenheter på begäran, beroende på behoven hos varje algoritm eller applikation.

För att koordinera denna resursdynamik utvecklar Cisco ett höghastighetsramverk för mjukvaruprotokoll som kontinuerligt och dynamiskt kan omkonfigurera nätverksvägar. I praktiken innebär detta att kvantsammanflätningslänkar skapas, förstörs och omdirigeras i hög hastighet för att mata de partiella beräkningar som de olika kvantpu:erna slutför.

Ett annat område för gemensamt arbete är utvecklingen av så kallade "kvantnätverksbryggor ", bestående av nästa generations hårdvara och programvara med öppen källkod. Dessa bryggor kommer att använda Cisco-nätverksnoder för att sammankoppla ett stort antal IBM-kvantnätverksenheter inom ett enda datacenter, och senare utöka denna modell till flera sammankopplade center.

I det scenariot omdefinieras konceptet med ett kvantdatacenter helt: det handlar inte längre bara om att driftsätta rack med klassiska servrar, utan om att integrera kryostater med kvantprocessorer, kvantnutor, optiska givare, kvantroutrar och ett blandat lager av klassisk och kvantberäkning som arbetar på ett samordnat sätt.

Bortom en enda byggnad: mot kvantinternet

Att koppla samman två kvantdatorer i samma rum är redan en utmaning, men det verkliga språnget framåt ligger i att överföra qubits över större avstånd , till exempel mellan byggnader eller datacenter som ligger kilometer ifrån varandra. Det är här optiska fotoner och den fiberoptiska infrastruktur som redan finns globalt kommer in i bilden .

IBM och Cisco kommer att undersöka hur man kan integrera optiska foton- och mikrovågsoptiska transduktortekniker i ett kvantnätverk som bara kan bära information när det behövs, vilket minimerar förluster och bibehåller sammanflätning. Det slutgiltiga målet är att kunna utöka detta kvantnätverk stad för stad, land för land och så småningom på planetarisk skala.

I denna möjliga framtid kommer det så kallade kvantberäkningsinternet inte att begränsas till att bara koppla samman kvantdatorer. Det kommer också att vara limmet som binder samman ultrakänsliga kvantsensorer, kvantkommunikationssystem och andra distribuerade enheter som delar information på distans utan att förlora fördelarna med kvantfysiken.

De tillämpningar som övervägs är mycket varierande: från ultrasäker kommunikation (tack vare kvantnycklardistributionsprotokoll som låter dig veta om någon försöker spionera) till mycket mer exakt miljöövervakning, som kan spåra klimat, väder, seismisk aktivitet eller till och med mycket känsliga industriella processer i detalj.

Allt detta öppnar dörren till vad IBM och Cisco själva beskriver som ett exponentiellt större beräkningsutrymme . När man har många kvantdatorer som arbetar tillsammans, och man kombinerar dem med klassiska superdatorer och acceleratorer som GPU:er, får man ett kvantcentrerat superdatorramverk som kan ta itu med problem som helt enkelt är svåra att lösa idag.

Parallellt samarbetar IBM med institutioner som Center for Superconducting Quantum Materials and Systems (SQMS) , lett av Fermilab i USA, för att studera hur många kvantdatacenter som kan fungera effektivt i dessa kvantdatacenter och hur man kan skala från ett fåtal sammankopplade kvantdatacenter till tiotals eller hundratals under de kommande åren.

Tekniska utmaningar, cybersäkerhet och en realistisk tidslinje

Även om snacket kan låta mycket ambitiöst är företagen medvetna om att det fortfarande finns mycket allvarliga tekniska hinder framför oss . Kvantbrus, dekoherens och behovet av att hålla temperaturer nära absoluta nollpunkten är fortfarande stora begränsningar när det gäller att skala upp hårdvaran.

Kvantprocessorer baserade på supraledande kretsar behöver arbeta vid cirka -273 °C , vilket innebär komplexa kryostater, energiförbrukning och infrastrukturkrav som är ovanliga i traditionella datacenter. Att skala upp till arkitekturer med hundratusentals feltoleranta logiska qubits är en monumental teknisk utmaning.

På nätverksnivå kräver den sårbara kvantinformationen under överföring utveckling av enheter som kvanttransduktorer och repeatrar med mycket hög effektivitet och minimala förluster. Dessutom är det långt ifrån trivialt att synkronisera kvantoperationer mellan olika noder med precision på under en nanosekunder.

Det finns också en betydande brist på mognad i de övre programvarulagren: kvantroutingprotokoll behövs , liksom orkestreringsverktyg för att distribuera kvantuppgifter, felkorrigeringssystem koordinerade mellan flera noder, API:er för utvecklare att programmera distribuerade algoritmer utan att bli galna, och så vidare.

Inom säkerhetsområdet finns det två sidor av myntet. Å ena sidan skulle tillräckligt kraftfulla kvantdatorer kunna bryta nuvarande kryptografiska algoritmer baserade på RSA eller elliptiska kurvor (ECC), vilket äventyrar banktransaktioner, militär kommunikation eller känsliga medicinska data. Å andra sidan erbjuder samma kvanttekniker verktyg som kvantnyckeldistribution som möjliggör teoretiskt okrossbar säker kommunikation.

Det är därför IBM, Cisco och andra aktörer inom branschen arbetar med postkvantkryptografi och kvantsäkerhetsprotokoll samtidigt som de utvecklar hårdvaran. Tanken är att när kvantdatorer kan attackera nuvarande säkerhetssystem, kommer vi redan att ha robusta alternativ i drift för att motverka denna nya typ av hot.

När det gäller tidslinjen har uppskattningarna ökat. För några år sedan sades det att en fullt fungerande kvantdator inte skulle komma före 2040. Nu placerar IBM praktisk kvantberäkning inom ett intervall på 5 till 10 år för specifika tillämpningar, och markerar slutet av 2030-talet som en rimlig tidsram för ett mer moget kvantinternet.

Samtidigt planerar IBM-Cisco-alliansen att visa upp mellanliggande milstolpar : först, kopplingar mellan två kvantpu:er i olika kryosystem; sedan nätverk inom samma datacenter; och senare, kopplingar mellan datacenter. Allt detta kommer att åtföljas av samfinansiering av akademiska och samarbetsforskningsprojekt för att främja ett bredare kvantekosystem.

Detta samarbete mellan IBM och Cisco målar upp en bild där kvantberäkning upphör att vara ett isolerat experiment och börjar integreras som en nyckelkomponent i den globala digitala infrastrukturen. Om de lyckas övervinna utmaningarna med stabilitet, felkorrigering, sammankoppling och säkerhet, kan vi se födelsen av ett distribuerat kvantnätverk under det kommande decenniet, kapabelt att omvandla sektorer som finans, medicin, logistik och materialvetenskap, precis som internet för alltid förändrade klassisk databehandling.

Relaterad artikel:

Quantum-Safe: Utmaningen med säkerhet i kvantberäkningens tid