Quantum internet: ganito ang plano ng IBM at Cisco na ikonekta ang mga quantum computer

Informatec Digital » Kayamanan » Quantum internet: ganito ang plano ng IBM at Cisco na ikonekta ang mga quantum computer

Sa kontekstong ito, nagsisimula ang alyansa sa pagitan ng IBM at Cisco . Napagpasyahan ng dalawang higanteng ito na magsanib-puwersa upang idisenyo at buuin ang mga pundasyon ng isang network ng magkakaugnay at hindi tinatablan ng mga fault quantum computer . Ang kanilang layunin ay hindi lamang gumawa ng mas makapangyarihang mga makina, kundi pati na rin upang paganahin ang mga makinang ito na makipagtulungan sa pamamagitan ng isang imprastraktura ng komunikasyon sa quantum, na nagbibigay-daan sa tinatawag na "Internet ng quantum computing" ng marami.

Qubits: ang puso ng modernong quantum computing

Upang maunawaan kung bakit napakahalaga ng alyansang ito, kailangan muna nating linawin kung ano ang qubit at kung paano ito naiiba sa isang klasikong bit . Habang ang mga tradisyunal na computer ay gumagana sa mga bit na maaari lamang maging 0 o 1, ang mga qubit ay pinamamahalaan ng mga patakaran ng quantum mechanics at maaaring umiral sa isang superposisyon ng parehong estado nang sabay-sabay.

Dahil sa quantum superposition na ito , kayang tuklasin ng isang quantum processor ang ilang estado nang sabay-sabay na lumalaki kasabay ng bilang ng mga qubit. Halimbawa, nai-deploy na ng IBM ang pamilya ng Heron processor nito, na may 133 qubit , sa iba't ibang sentro ng pananaliksik sa buong mundo, na nagpapakita na ang pamamaraang ito ay nagsisimula nang maging kapaki-pakinabang lampas sa laboratoryo.

Ipinapahiwatig ng mga pagtataya ng kumpanya na, sa isang processor na may humigit-kumulang 300 mahusay na kontroladong qubit , posible na malutas ang mga problemang aabutin ng libu-libong taon ng pinakamalakas na klasikong supercomputer. Kabilang dito ang advanced chemical simulation, matinding pinansyal na pag-optimize, at ang disenyo ng mga materyales na may napaka-espesipikong mga katangian.

Gayunpaman, ang susi ay hindi lamang nakasalalay sa pagpaparami ng bilang ng mga qubit, kundi pati na rin sa pagpapabuti ng kanilang katatagan at quantum coherence . Sa loob ng maraming taon, ang pangunahing balakid sa quantum computing ay ang tumpak na pagpapanatili ng quantum state nang sapat na katagalan upang maisagawa ang mga kapaki-pakinabang na kalkulasyon bago masira ang sistema dahil sa ingay at decoherence.

Sa puntong ito, nakagawa na ang IBM ng mga makabuluhang hakbang sa pagwawasto ng quantum error . Hindi limitado ng kumpanya ang sarili sa pagpapabuti ng katapatan ng bawat qubit nang paisa-isa, ngunit nagdisenyo na ng mga iskema kung saan maraming pisikal na qubit ang gumagana nang paulit-ulit upang bumuo ng mas matatag na lohikal na qubit, na may kakayahang matukoy at maitama ang mga error sa totoong oras. Ang pagsulong na ito ay mahalaga para sa pagkamit ng tunay na mga makinang mapagparaya sa mga pagkakamali.

Quantum entanglement at network: kung saan pumasok ang Cisco sa eksena

Kapag mayroon nang minimally stable na quantum hardware, ang susunod na hakbang ay paganahin ang iba't ibang processor na makipagtulungan sa isa't isa. Dito nagniningning ang kadalubhasaan ng Cisco, dahil itinutuon nila ang kanilang pananaliksik sa tinatawag nilang quantum networks —mga imprastraktura na may kakayahang magpadala ng impormasyong quantum nang hindi sinisira ang mga katangian nito.

Ang pangunahing piraso ng palaisipang ito ay ang quantum entanglement . Kapag ang dalawang qubit ay nagkabuhol-buhol, ang estado ng isa ay nakaugnay sa estado ng isa pa, kahit na kilometro ang layo ng mga ito. Anumang pagsukat sa isa sa mga ito ay agad na nakakaapekto sa kapareha nito. Ang paggamit ng phenomenon na ito ang nagpapahintulot sa isang distributed quantum network na gumana bilang isang nag-iisa at magkakaugnay na logical system.

Ang mga pangkat ng Cisco ay nagtatrabaho sa mga sistema ng transmisyon na nagpapanatili ng pagkakaugnay na ito sa malalayong distansya gamit ang fiber optics . Hindi sapat ang muling paggamit lamang ng umiiral na imprastraktura ng internet: nangangailangan ito ng pagbuo ng mga partikular na elemento tulad ng mga repeater o quantum bridge at pamamahala ng mga indibidwal na photon na nagko-code ng impormasyong quantum nang may kaunting pagkawala.

Ang pangako ng teknolohiyang ito ay nagiging napakalinaw kapag sinimulan mong pag-isipan ang mga aplikasyon nito. Ang isang matibay na quantum network ay magbibigay-daan, halimbawa, sa isang pandaigdigang bangko na magsagawa ng mga kalkulasyon sa pag-optimize ng portfolio sa totoong oras sa pamamagitan ng pamamahagi ng workload sa ilang mga quantum processor na matatagpuan sa iba't ibang kontinente, lahat ay may antas ng seguridad na higit na nakahihigit sa kasalukuyang mga sistema.

Sa larangan ng kalusugan at agham ng mga materyales, ang imprastrakturang ito ay magpapadali sa mga molecular simulation sa isang saklaw na hindi maiisip ngayon, na gagawing mas mabilis ang disenyo ng mga kumplikadong gamot o ang paghahanap ng mga bagong compound na may mga advanced na katangian, maging para sa mga baterya, superconductor o mga ultra-resistant na materyales.

Mga Layunin ng IBM at Cisco Alliance: Mula sa Milestones hanggang 2030

Dahil sa kontekstong ito, inanunsyo ng IBM at Cisco ang isang pangmatagalang kolaborasyon upang ilatag ang pundasyon para sa distributed quantum computing. Nakatakda nilang itakda ang kanilang pananaw sa unang bahagi ng 2030s, kung saan inaasahan nilang handa na ang mga pangunahing bahagi ng isang functional quantum internet.

Ang unang pangunahing milestone na kanilang itinakda ay ang tinatayang limang taong tagal ng panahon upang maipakita ang isang patunay ng konsepto na nagkokonekta sa ilang malakihan, fault-tolerant, at indibidwal na quantum computer. Ang ideya ay ang mga makinang ito ay makakagawa ng magkasanib na kalkulasyon na may sampu-sampu o kahit daan-daang libong qubit , na higit pa sa kayang hawakan ng isang nakahiwalay na makina.

Sa usapin ng kapasidad, ang eksperimental na network na ito ay dapat na kayang magpatakbo ng mga problemang kinasasangkutan ng bilyun-bilyon o trilyong quantum gate — ibig sabihin, isang napakalaking bilang ng mga operasyon ng pagkakaugnay at manipulasyon ng mga estado ng quantum. Ang antas ng pagiging kumplikado na ito ang siyang tiyak na kailangan para sa mga transformatibong aplikasyon tulad ng malawakang pag-optimize o ang disenyo ng mga susunod na henerasyong gamot.

Kasabay nito, hinahabol ng IBM ang sarili nitong roadmap upang makapaghatid ng malakihan at fault-tolerant na mga quantum computer bago matapos ang dekadang ito. Ang layunin nitong makamit kasama ang Cisco ay ang higit pang hakbang: upang matiyak na ang mga makinang ito ay hindi mananatiling nakahiwalay na "mga isla" ng kapangyarihan sa pag-compute, kundi bubuo ng isang ipinamamahaging quantum computing network na nagpapalakas sa kanilang pangkalahatang kapasidad.

Sa pamamaraang ito, ang arkitektura ay binubuo ng kabuuan: hardware upang ikonekta ang mga quantum computer , software upang i-coordinate ang mga kalkulasyon na ipinamamahagi sa kanila, at mga layer ng network intelligence na nagpapasya kung paano at kailan ililipat ang impormasyon ng quantum mula sa isang node patungo sa isa pa, na nagpapakinabang sa pagganap at pagiging maaasahan.

Sa katamtamang termino, nilalayon ng dalawang kumpanya na magkaroon ng paunang demonstrasyon ng isang distributed quantum network sa pagtatapos ng 2030. Ang demo na ito ay ibabatay sa pagsasama-sama ng mga qubit mula sa ilang independiyenteng quantum computer, na naka-install sa iba't ibang cryogenic na kapaligiran, na nagdaragdag din ng isang malaking hamon sa physics engineering.

Upang magawa ito, kakailanganing mag-imbento at magpino ng mga bagong teknolohiya sa interkoneksyon, tulad ng mga microwave optical transducer na nagko-convert ng mga quantum signal sa microwave range (tipikal sa mga superconducting qubit) tungo sa mga optical photon na naglalakbay sa fiber, at vice versa. Bukod pa rito, kakailanganin ang isang espesyalisadong software stack na may kakayahang i-orchestrate ang lahat ng daloy ng impormasyong quantum nang hindi nawawala ang coherence .

QPU, QNU at ang bagong quantum data center

Isa sa mga pinaka-kawili-wiling konseptwal na elemento ng plano ay ang kahulugan ng dalawang pangunahing bahagi: ang QPU (Quantum Processing Unit) at ang QNU (Quantum Network Unit) . Ang QPU, sa madaling salita, ay ang quantum processor mismo, kung saan matatagpuan ang mga nakatigil na qubit na nagsasagawa ng mga kalkulasyon.

Ang QNU, sa bahagi nito, ay dinisenyo bilang quantum network interface na responsable sa pagbabago ng nakatigil na quantum information ng QPU tungo sa karaniwang tinatawag na "lumilipad" na quantum information: mga estado na naglalakbay, sa pangkalahatan, na naka-encode sa mga photon sa pamamagitan ng isang communications network.

Plano ng IBM na itayo ang mga quantum network unit na ito upang makapagsilbing tulay ang mga ito sa pagitan ng maraming QPU sa loob ng iisang quantum data center. Ang magiging papel ng Cisco ay ang pagdisenyo ng isang network na may kakayahang ipamahagi ang pagkakaugnay-ugnay sa pagitan ng mga arbitraryong pares ng QNU kung kinakailangan, depende sa mga pangangailangan ng bawat algorithm o aplikasyon.

Upang maisaayos ang dinamikong ito ng mapagkukunan, bumubuo ang Cisco ng isang high-speed software protocol framework na maaaring patuloy at pabago-bagong muling i-configure ang mga path ng network. Sa pagsasagawa, nangangahulugan ito na ang mga quantum entanglement link ay nililikha, sinisira, at inire-redirect sa mataas na bilis upang pakainin ang mga bahagyang kalkulasyon na kinukumpleto ng iba't ibang QPU.

Ang isa pang larangan ng magkasanib na gawain ay ang pagbuo ng tinatawag na "quantum network bridges ," na binubuo ng susunod na henerasyon ng hardware at open-source software. Gagamitin ng mga bridge na ito ang mga Cisco network node upang ikonekta ang isang malaking bilang ng mga IBM QPU sa loob ng isang data center, at kalaunan ay palalawakin ang modelong ito sa maraming magkakaugnay na sentro.

Sa sitwasyong iyon, ang konsepto ng isang quantum data center ay ganap na muling binigyang-kahulugan: hindi na lamang ito tungkol sa pag-deploy ng mga rack ng mga classical server, kundi tungkol sa pagsasama ng mga cryostat sa mga quantum processor, QNU, optical transducer, quantum router at isang halo-halong layer ng classical at quantum computing na gumagana sa isang koordinadong paraan.

Higit pa sa isang gusali: patungo sa quantum internet

Ang pagkonekta ng dalawang quantum computer sa loob ng iisang silid ay isang hamon na, ngunit ang tunay na hakbang pasulong ay nakasalalay sa pagpapadala ng mga qubit sa mas malalayong distansya , halimbawa, sa pagitan ng mga gusali o mga data center na matatagpuan ilang kilometro ang layo. Dito pumapasok ang mga optical photon at ang imprastraktura ng fiber optic na naka-deploy na sa buong mundo .

Susuriin ng IBM at Cisco kung paano isama ang mga teknolohiya ng optical photon at microwave-optical transducer sa isang quantum network na makakapagdala lamang ng impormasyon kung kinakailangan, na binabawasan ang mga pagkalugi at pinapanatili ang pagkakabuhol-buhol. Ang pangunahing layunin ay mapalawak ang quantum network na ito sa bawat lungsod, bawat bansa, at kalaunan, sa isang planetary scale.

Sa posibleng hinaharap na ito, ang tinatawag na quantum computing internet ay hindi limitado sa simpleng pagkonekta ng mga quantum computer. Ito rin ang magiging pandikit na magbubuklod sa mga ultra-sensitive quantum sensor, quantum communication system, at iba pang distributed device na nagbabahagi ng impormasyon nang malayuan nang hindi nawawala ang mga bentahe ng quantum physics.

Ang mga aplikasyong isinasaalang-alang ay iba-iba: mula sa mga ultra-secure na komunikasyon (salamat sa mga protocol ng quantum key distribution na nagbibigay-daan sa iyong malaman kung may sumusubok na mag-espiya) hanggang sa mas tumpak na pagsubaybay sa kapaligiran, na may kakayahang subaybayan nang detalyado ang klima, panahon, aktibidad ng seismic o maging ang mga napaka-sensitibong prosesong pang-industriya.

Ang lahat ng ito ay nagbubukas ng pinto sa inilalarawan mismo ng IBM at Cisco bilang isang mas malaking espasyo sa pagkukuwenta na mas malawak . Kapag marami kang quantum computer na nagtutulungan, at pinagsama mo ang mga ito sa mga klasikong supercomputer at accelerator tulad ng mga GPU, makakakuha ka ng isang quantum-centric supercomputing framework na maaaring harapin ang mga problemang mahirap lutasin ngayon.

Kasabay nito, nakikipagtulungan ang IBM sa mga institusyon tulad ng Center for Superconducting Quantum Materials and Systems (SQMS) , na pinamumunuan ng Fermilab sa Estados Unidos, upang pag-aralan kung gaano karaming QNU ang maaaring gumana nang mahusay sa mga quantum data center na ito at kung paano palakihin ang bilang mula sa ilang magkakaugnay na QPU hanggang sa sampu o daan-daan sa mga darating na taon.

Mga teknikal na hamon, cybersecurity, at isang makatotohanang timeline

Bagama't maaaring mukhang napaka-ambisyoso ng usapan, batid ng mga kumpanya na mayroon pa ring mga seryosong teknikal na balakid sa hinaharap . Ang quantum noise, decoherence, at ang pangangailangang mapanatili ang temperatura na malapit sa absolute zero ay nananatiling pangunahing limitasyon pagdating sa pagpapalawak ng hardware.

Ang mga quantum processor na nakabatay sa mga superconducting circuit ay kailangang gumana sa bandang -273°C , na nagpapahiwatig ng mga kumplikadong cryostat, pagkonsumo ng enerhiya, at mga kinakailangan sa imprastraktura na hindi karaniwan sa mga tradisyunal na data center. Ang pagpapalawak sa mga arkitektura na may daan-daang libong fault-tolerant logical qubit ay isang napakalaking hamon sa inhinyeriya.

Sa antas ng network, ang kahinaan ng impormasyong quantum habang dinadala ay nangangailangan ng pagbuo ng mga aparato tulad ng mga quantum transducer at repeater na may napakataas na kahusayan at kaunting pagkalugi. Bukod pa rito, ang pag-synchronize ng mga operasyong quantum sa pagitan ng iba't ibang node na may sub-nanosecond na katumpakan ay hindi naman basta-basta.

Mayroon ding malaking kakulangan ng kapanahunan sa mga nasa itaas na layer ng software: kinakailangan ang mga quantum routing protocol , pati na rin ang mga tool sa orkestrasyon upang ipamahagi ang mga quantum task, mga sistema ng pagwawasto ng error na pinag-ugnay sa pagitan ng maraming node, mga API para sa mga developer upang iprograma ang mga distributed algorithm nang hindi nababaliw, at iba pa.

Sa larangan ng seguridad, may dalawang panig ang barya. Sa isang banda, ang mga quantum computer na may sapat na makapangyarihang kakayahan ay maaaring makabasag ng mga kasalukuyang cryptographic algorithm batay sa RSA o elliptic curves (ECC), na maaaring magdulot ng panganib sa mga transaksyon sa pagbabangko, komunikasyon sa militar, o sensitibong medikal na datos. Sa kabilang banda, ang mga quantum technique na ito ay nag-aalok ng mga tool tulad ng quantum key distribution na nagbibigay-daan sa mga ligtas na komunikasyon na hindi masisira sa teorya.

Kaya naman ang IBM, Cisco, at iba pang mga manlalaro sa industriya ay nagtatrabaho sa post-quantum cryptography at quantum security protocols habang sabay na binubuo ang hardware. Ang ideya ay sa oras na maatake na ng mga quantum computer ang mga kasalukuyang sistema ng seguridad, magkakaroon na tayo ng matibay na alternatibo na ginagamit upang labanan ang bagong uri ng banta na ito.

Kung tungkol sa timeline, bumibilis ang mga pagtatantya. Ilang taon na ang nakalilipas, sinasabing ang isang ganap na gumaganang quantum computer ay hindi darating bago ang 2040. Ngayon, inilalagay ng IBM ang praktikal na quantum computing sa loob ng 5 hanggang 10 taon para sa mga partikular na aplikasyon, at minamarkahan ang pagtatapos ng 2030s bilang isang makatwirang timeframe para sa isang mas mature na quantum internet.

Samantala, ang alyansang IBM-Cisco mismo ay nagpaplanong ipakita ang mga intermediate milestone : una, ang mga koneksyon sa pagitan ng dalawang QPU sa magkaibang cryosystem; pagkatapos, ang mga network sa loob ng iisang data center; at kalaunan, ang mga koneksyon sa pagitan ng mga data center. Ang lahat ng ito ay sasamahan ng co-funding ng mga akademiko at collaborative na proyekto sa pananaliksik upang pagyamanin ang isang mas malawak na quantum ecosystem.

Ang kolaborasyong ito sa pagitan ng IBM at Cisco ay nagpapakita ng isang larawan kung saan ang quantum computing ay hindi na isang nakahiwalay na eksperimento at nagsisimulang isama bilang isang mahalagang bahagi ng pandaigdigang digital na imprastraktura. Kung malalampasan nila ang mga hamon ng katatagan, pagwawasto ng error, pagkakaugnay, at seguridad, maaari nating makita ang pagsilang ng isang distributed quantum network sa susunod na dekada, na may kakayahang baguhin ang mga sektor tulad ng pananalapi, medisina, logistik, at agham ng mga materyales, tulad ng internet na magpakailanman na nagpabago sa classical computing.

Kaugnay na artikulo:

Quantum-Safe: Ang hamon ng seguridad sa panahon ng quantum computing