- IBM 和思科联手打造了一个分布式容错量子计算机网络，为未来的量子互联网奠定了基础。
- 该项目将先进的量子处理器（QPU）与量子网络单元（QNU）和新的通信协议相结合，以实现远距离量子比特纠缠。
- 里程碑包括五年内首次概念验证，以及到 2030 年展示可扩展的量子网络，连接多个数据中心。
- 如果技术和安全方面的挑战得到克服，该网络将能够解决经典计算无法实现的优化、模拟和安全通信问题。
在此背景下， IBM和思科的联盟发挥了作用。这两家巨头决定携手合作，共同设计和构建互联互通、容错的量子计算机网络的基础架构。他们的目标不仅是制造更强大的机器，还要使这些机器能够通过量子通信基础设施进行协作，从而催生出许多人所称的“量子计算互联网”。
量子比特：现代量子计算的核心
要理解这种联盟为何如此重要，我们首先必须明确什么是量子比特，以及它与经典比特有何不同。传统计算机处理的比特只能是0或1，而量子比特则遵循量子力学的规则，可以同时处于0和1的叠加态。
得益于量子叠加，量子处理器可以并行探索多种量子态，其数量随量子比特数量的增加呈指数级增长。例如，IBM 已在全球多个研究中心部署了其拥有133 个量子比特的 Heron 处理器系列，这表明这种方法已开始在实验室之外发挥作用。
该公司预测，如果处理器拥有约300个控制良好的量子比特，就能解决即使是最强大的传统超级计算机也需要数千年才能解决的问题。这些问题包括高级化学模拟、极致的财务优化以及具有特定性能的材料设计。
然而，关键不仅在于增加量子比特的数量，还在于提高它们的稳定性和量子相干性。多年来，量子计算的主要障碍在于如何在系统因噪声和退相干而退化之前，精确地维持量子态足够长的时间以进行有效的计算。
目前，IBM在量子纠错领域取得了显著进展。该公司并未局限于单独提升每个量子比特的保真度，而是设计了多个物理量子比特冗余协作的方案，从而构建出更稳健的逻辑量子比特，能够实时检测并纠正错误。这一进步对于实现真正意义上的容错机器至关重要。
量子纠缠与网络：思科如何介入
一旦具备最低限度的稳定量子硬件，下一步就是让不同的处理器能够相互协作。思科的专业优势正体现在这里，他们正专注于研究所谓的量子网络——一种能够在不破坏量子信息特性的前提下传输量子信息的基础设施。
解开这个谜题的关键在于量子纠缠。当两个量子比特纠缠在一起时，即使它们相距数公里，其中一个的状态也会与另一个的状态紧密相连。对其中一个量子比特的任何测量都会立即影响到另一个量子比特。正是利用这种现象，分布式量子网络才能作为一个单一的、连贯的逻辑系统运行。
思科团队正在研发利用光纤远距离传输量子纠缠系统的方案。仅仅重复利用现有的互联网基础设施是不够的：这需要开发诸如中继器或量子桥之类的特定元件，并管理以最小损耗编码量子信息的单个光子。
当你开始思考这项技术的应用前景时，它的优势就显而易见了。例如，一个强大的量子网络可以让全球性银行通过将工作负载分配到位于不同大陆的多个量子处理器上，实时执行投资组合优化计算，而且安全性远高于现有系统。
在健康和材料科学领域，这种基础设施将促进目前难以想象的大规模分子模拟，从而大大加快复杂药物的设计或具有先进性能的新化合物的寻找，无论是用于电池、超导体还是超耐腐蚀材料。
IBM 和思科联盟的目标：从里程碑到 2030 年
鉴于此，IBM 和思科宣布了一项长期合作计划，旨在为分布式量子计算奠定基础。他们的目标时间是 2030 年代初，届时他们预计将准备好构建功能完善的量子互联网的关键组件。
他们设定的首要里程碑是，计划在大约五年内完成概念验证，将多台大规模、容错的独立量子计算机连接起来。其设想是，这些机器将能够使用数万甚至数十万个量子比特进行联合计算，远远超出单台独立机器的处理能力。
就处理能力而言，该实验网络应该能够处理涉及数十亿甚至数万亿个量子门的复杂问题——也就是说，能够处理数量庞大的纠缠操作和量子态操控。这种复杂程度正是大规模优化或下一代药物设计等变革性应用所需要的。
IBM 也在同步推进其自身的发展路线图，力争在本十年末之前交付大规模、容错的量子计算机。它与思科的合作目标是更进一步：确保这些机器不再是孤立的计算“孤岛”，而是构成一个分布式量子计算网络，从而提升其整体计算能力。
在这种方法中，架构被构想为一个整体：连接量子计算机的硬件、协调分布在它们之间的计算的软件，以及决定如何以及何时将量子信息从一个节点移动到另一个节点的网络智能层，从而最大限度地提高性能和可靠性。
从中长期来看，这两家公司计划在 2030 年底前初步演示分布式量子网络。该演示将基于纠缠来自安装在不同低温环境中的多个独立量子计算机的量子比特，这也带来了巨大的物理工程挑战。
为了实现这一点，需要发明和改进新的互连技术，例如微波光转换器，它可以将微波范围内的量子信号（超导量子比特的典型信号）转换为可在光纤中传输的光子，反之亦然。此外，还需要一个专门的软件栈，能够协调所有这些量子信息流而不损失相干性。
QPU、QNU 和新的量子数据中心
该计划中最有趣的概念要素之一是对两个关键组件的定义：量子处理单元 (QPU)和量子网络单元 (QNU)。简而言之，QPU 就是量子处理器本身，执行计算的静止量子比特就位于其中。
量子网络单元 (QNU) 则被设计为量子网络接口，负责将量子处理单元 (QPU) 的静态量子信息转换为通常被称为“飞行”量子信息的状态：即通常以光子编码的形式通过通信网络传输的状态。
IBM计划构建这些量子网络单元，使其能够作为单个量子数据中心内多个量子处理单元（QPU）之间的桥梁。思科的任务是设计一个能够根据每个算法或应用的需求，按需在任意量子网络单元对之间分发纠缠的网络。
为了协调这种资源动态变化，思科正在开发一种高速软件协议框架，该框架能够持续动态地重新配置网络路径。实际上，这意味着量子纠缠链路会被高速创建、销毁和重定向，以支持各个量子处理单元（QPU）完成的部分计算。
另一项合作领域是开发所谓的“量子网络桥接器”，它由下一代硬件和开源软件组成。这些桥接器将使用思科网络节点将单个数据中心内的大量IBM QPU互连，之后还将把这种模式扩展到多个互连的数据中心。
在这种情况下，量子数据中心的概念被完全重新定义：它不再仅仅是部署成排的经典服务器，而是将低温恒温器与量子处理器、量子纳米单元、光换能器、量子路由器以及经典和量子计算的混合层集成在一起，以协调的方式工作。
超越单一建筑：迈向量子互联网
在同一房间内连接两台量子计算机已属不易，但真正的飞跃在于远距离传输量子比特，例如在相距数公里的建筑物或数据中心之间传输。而这正是光子和全球已部署的光纤基础设施发挥作用的地方。
IBM 和思科将研究如何将光子和微波-光转换器技术集成到量子网络中，该网络能够仅在需要时传输信息，从而最大限度地减少损耗并保持量子纠缠。最终目标是将这个量子网络逐个城市、逐个国家地扩展，最终覆盖全球。
在这样的未来，所谓的量子计算互联网将不仅限于连接量子计算机，它还将成为连接超灵敏量子传感器、量子通信系统和其他分布式设备的纽带，使这些设备能够在不损失量子物理优势的前提下远程共享信息。
正在考虑的应用非常广泛：从超安全的通信（得益于量子密钥分发协议，可以知道是否有人试图窥探）到更精确的环境监测，能够详细跟踪气候、天气、地震活动，甚至是极其精密的工业过程。
这一切都为IBM和思科所描述的“指数级增长的计算空间”打开了大门。当众多量子计算机协同工作，并将它们与传统的超级计算机和GPU等加速器相结合时，就能构建一个以量子为中心的超级计算框架，从而解决目前根本无法解决的问题。
与此同时，IBM 正与美国费米实验室领导的超导量子材料与系统中心 (SQMS)等机构合作，研究有多少量子计算单元 (QNU) 可以在这些量子数据中心高效运行，以及如何在未来几年内将几个互连的量子处理单元 (QPU) 扩展到几十个或几百个。
技术挑战、网络安全以及切实可行的时间表
尽管这一设想听起来雄心勃勃，但这些公司也意识到，前方仍存在诸多严峻的技术挑战。量子噪声、退相干以及需要将温度维持在接近绝对零度的水平，仍然是硬件规模化扩展的主要限制因素。
基于超导电路的量子处理器需要在约-273°C的低温下运行，这意味着需要复杂的低温恒温器、高能耗以及传统数据中心不常见的配套基础设施。扩展到拥有数十万个容错逻辑量子比特的架构是一项巨大的工程挑战。
在网络层面，量子信息在传输过程中的脆弱性要求开发诸如量子转换器和中继器等具有极高效率和极低损耗的器件。此外，在不同节点之间以亚纳秒级精度同步量子操作也绝非易事。
上层软件也存在明显的不成熟之处：需要量子路由协议、用于分发量子任务的编排工具、在多个节点之间协调的纠错系统、供开发人员编写分布式算法而不至于崩溃的 API 等等。
在安全领域，事情有利有弊。一方面，功能强大的量子计算机可以破解基于RSA或椭圆曲线密码学（ECC）的现有加密算法，从而危及银行交易、军事通信或敏感医疗数据。另一方面，这些量子技术也提供了诸如量子密钥分发等工具，理论上可以实现牢不可破的安全通信。
这就是为什么IBM、思科和其他行业参与者正在研发后量子密码学和量子安全协议，同时也在开发相应的硬件。他们的想法是，等到量子计算机能够攻击现有安全系统时，我们已经部署了强大的替代方案来应对这种新型威胁。
至于时间表，各方预测都在加快。几年前，人们认为完全可运行的量子计算机要到2040年才能问世。而现在，IBM认为在特定应用领域，实用量子计算将在5到10年内实现，并认为2030年代末是量子互联网更加成熟的合理时间范围。
与此同时，IBM-思科联盟计划展示一系列阶段性里程碑：首先是不同低温系统中两个量子处理单元（QPU）之间的连接；其次是同一数据中心内的网络；最后是数据中心之间的连接。所有这些都将伴随着对学术和合作研究项目的共同资助，以促进更广泛的量子生态系统的发展。
IBM 和思科的此次合作描绘了一幅量子计算不再是孤立实验，而是开始融入全球数字基础设施的关键组成部分的蓝图。如果他们能够克服稳定性、纠错、互联和安全性方面的挑战，我们或许会在未来十年内见证分布式量子网络的诞生，它将像互联网彻底改变经典计算一样，变革金融、医疗、物流和材料科学等领域。
