- IBM 和思科聯手打造了一個分散式容錯量子電腦網絡，為未來的量子互聯網奠定了基礎。
- 該專案將先進的量子處理器（QPU）與量子網路單元（QNU）和新的通訊協定相結合，以實現遠距離量子位元糾纏。
- 里程碑包括五年內首次概念驗證，以及到 2030 年展示可擴展的量子網絡，連接多個資料中心。
- 如果技術和安全方面的挑戰得到克服，該網路將能夠解決經典計算無法實現的最佳化、模擬和安全通訊問題。
在此背景下，聯盟 IBM 和思科兩大巨頭決定聯手，共同設計建造一個基礎… 容錯量子電腦網絡 彼此相連。他們的目標不僅是製造更強大的機器，而且是使這些機器能夠透過量子通訊基礎設施進行協作，從而催生出許多人所稱的「量子計算互聯網」。
量子比特：現代量子運算的核心
要理解為什麼這聯盟如此重要，我們首先必須先明確什麼是… 量子比特及其與經典比特的區別傳統電腦使用的位元只能是 0 或 1，而量子位元則受量子力學規則的支配，可以同時處於 0 和 1 的疊加態。
多虧了這個 量子疊加量子處理器可以並行探索多種狀態，其數量隨量子位元數量呈指數級增長。例如，IBM 已經部署了其 Heron 處理器系列， 133量子比特世界各地的多個研究中心都證實了這種方法在實驗室之外也開始發揮作用。
該公司預測，使用約 300個控制良好的量子比特這將有可能解決那些即使是最強大的傳統超級電腦也需要數千年才能解決的問題。我們指的是先進的化學模擬、極致的財務優化以及具有特定性能的材料設計。
然而，關鍵不僅在於增加量子位元的數量，還在於提高它們的性能。 穩定性及其量子相干性多年來，量子運算的主要障礙在於如何精確地維持量子態足夠長的時間，以便在系統因雜訊和退相干而退化之前執行有用的計算。
至此，IBM已採取了重要步驟 量子糾錯該公司不僅提高了每個量子位元的保真度，還設計了多個實體量子位元冗餘工作的方案，從而形成更穩健的邏輯量子位元，能夠即時檢測和修正錯誤。這項進展對於實現真正容錯的機器至關重要。
量子糾纏與網路：思科如何介入
一旦具備最低限度的穩定量子硬件，下一步就是讓不同的處理器相互協作。這正是思科的優勢所在，因為它專注於其所謂的…的研究。 量子網路也就是說，能夠傳輸量子資訊而不破壞其特性的基礎設施。
這個謎題的核心是… 量子糾纏當兩個量子位元糾纏在一起時，即使它們相距數公里，其中一個量子位元的狀態也會與另一個量子位元的狀態緊密相連。對其中一個量子位元的任何測量都會立即影響到另一個量子位元。正是利用這種現象，分散式量子網路才能作為一個單一的、連貫的邏輯系統運作。
思科團隊正在研究能夠維持這種相互交織的傳輸系統。 長途 光纖僅僅重複利用傳統的互聯網基礎設施是不夠的：還需要開發諸如中繼器或量子橋之類的特定元件，並以最小的損耗管理編碼量子資訊的單一光子。
當你開始思考這項技術的應用時，它的前景就變得非常清晰了。例如，一個強大的量子網路可以讓一家全球性銀行運作。 投資組合最佳化計算 即時地將工作分配給位於不同大陸的多個量子處理器，並且所有操作的安全等級都遠高於當前系統。
在健康和材料科學領域，這種基礎設施將有助於… 大規模分子模擬 如今這簡直是不可想像的，這使得複雜藥物的設計或具有先進性能的新化合物的尋找速度大大加快，無論是用於電池、超導體還是超耐久材料。
IBM 與思科聯盟的目標：從里程碑到 2030 年
考慮到這種背景，IBM 和思科宣布了一項 長期合作 為分散式量子計算奠定基礎。他們的目標日期是2030年代初，屆時他們預計將準備好功能齊全的量子互聯網的關鍵組件。
他們設定的第一個主要里程碑是大約的時間範圍： 五年 旨在驗證連接多個大規模、容錯的獨立量子電腦的概念。其理念是，這些機器將能夠執行… 利用數萬甚至數十萬個量子位元進行聯合計算遠遠超出單一獨立機器的處理能力。
就容量而言，該實驗網路應該能夠運行涉及以下方面的問題 數十億或數萬億個量子閘也就是說，需要進行數量龐大的量子糾纏操作和量子態操控。這種複雜程度正是大規模優化或下一代藥物設計等變革性應用所需要的。
IBM 同時也在發展自己的產品路線圖 大規模、容錯量子計算機 在本十年結束之前。他與思科合作的目標是更進一步：確保這些機器不會繼續作為計算能力的“孤島”，而是能夠形成… 分散式量子運算網絡 這提高了它的總容量。
在這種方法中，建築被視為一個整體： 用於連接量子電腦的硬體用於協調它們之間分散式運算的軟體，以及決定如何以及何時將量子資訊從一個節點移動到另一個節點的網路智慧層，從而最大限度地提高效能和可靠性。
中期來看，兩家公司都給自己設定了目標，也就是… 分散式量子網路的初步演示預計將於2030年底完成。本次演示將基於將安裝在不同低溫環境中的幾台獨立量子電腦的量子位元糾纏在一起，這也帶來了重大的物理工程挑戰。
為了實現這一點，需要發明和完善新的互連技術，例如： 微波光換能器 它將微波範圍內的量子訊號（超導量子位元的典型訊號）轉換為可在光纖中傳輸的光子，反之亦然。此外， 專用軟體堆疊 能夠協調所有量子資訊的流動而不失去相干性。
QPU、QNU 和新的量子資料中心
這個計劃中最有趣的概念性部分之一是對兩個關鍵組成部分的定義： QPU（量子處理單元） 和 QNU（量子網路單元）簡單來說，QPU 就是量子處理器本身，執行計算的靜止量子位元就位於其中。
就其本身而言，QNU 的設計目的是 量子網路介面 負責將 QPU 的靜態量子資訊轉換為通常被稱為「飛行」量子資訊的狀態：通常以光子的形式編碼，透過通訊網路傳輸。
IBM計劃建構這些量子網路單元，以便它們能夠充當… 多個量子處理器之間的橋樑 在單一量子資料中心內，思科的任務是設計一個網絡，該網絡能夠根據每個演算法或應用程式的需求，按需在任意量子網路單元對之間分發糾纏。
為了協調這種資源調配，思科正在開發 高速軟體協定框架 它可以持續動態地重新配置網路路徑。實際上，這意味著量子糾纏鏈路會被高速地創建、銷毀和重新導向，以支援各個量子處理器（QPU）完成的部分計算。
另一項合作工作是所謂的 “量子網路橋接器”這些由新一代硬體和開源軟體組成的橋接器將利用思科網路節點將單一資料中心內的大量 IBM QPU 互連，並計劃稍後將此模型擴展到多個互連的中心。
在這種情況下，概念是 量子資料中心 它被完全重新定義：它不再只是部署成排的經典伺服器，而是將低溫恆溫器與量子處理器、量子奈米單元、光感測器、量子路由器以及經典和量子計算的混合層整合在一起，以協調的方式工作。
超越單一建築：邁向量子互聯網
在同一房間內連接兩台量子電腦已經是一個挑戰，但真正的飛躍在於… 遠距離傳輸量子位元例如，相距數公里的建築物或資料中心之間。這就是光子和 已部署的光纖基礎設施 全球。
IBM和思科將研究如何整合 光學光子技術與微波-光學換能器 量子網路能夠在必要時傳輸訊息，從而最大限度地減少訊息損耗並維持量子糾纏。最終目標是將這個量子網路逐一城市、逐個國家擴展，最終覆蓋整個星球。
在這種可能的未來中，所謂的 量子運算互聯網 它不僅限於連接量子計算機，還將成為連接超靈敏量子感測器、量子通訊系統和其他分佈式設備的黏合劑，這些設備可以遠端共享訊息，同時又不損失量子物理的優勢。
正在考慮的申請種類繁多：從 超安全通信 （由於量子金鑰分發協議，可以知道是否有人試圖窺探）更精確的環境監測，能夠詳細追蹤氣候、天氣、地震活動，甚至非常精細的工業過程。
所有這些都為IBM和思科自己所描述的「…」打開了大門。 指數級成長的運算空間當許多量子電腦協同工作，並將它們與經典超級電腦和 GPU 等加速器結合時，就能得到一個以量子為中心的超級運算框架，該框架可以解決目前根本無法解決的問題。
同時，IBM也與以下機構合作： 超導量子材料與系統中心（SQMS）由美國費米實驗室牽頭，旨在研究在這些量子資料中心中，有多少量子奈米單元（QNU）能夠高效運行，以及如何 從幾個量子計算單元 (QPU) 開始規模化 未來幾年，數十個或數百個項目將相互關聯。
技術挑戰、網路安全以及切實可行的時間表
儘管這種說法聽起來雄心勃勃，但企業也意識到仍有許多挑戰。 前方面臨非常嚴峻的技術挑戰量子雜訊、退相干以及保持接近絕對零度的溫度仍然是擴展硬體時的主要限制因素。
基於超導電路的量子處理器需要在…周圍運行 -273攝氏度這涉及到複雜的低溫恆溫器、高能耗以及傳統資料中心不常見的基礎設施要求。擴展到擁有數十萬個容錯邏輯量子位元的架構是一項巨大的工程挑戰。
在網路層面，脆弱性 傳輸中的量子訊息 這就需要開發諸如量子換能器和量子中繼器等具有極高效率和極低損耗的裝置。此外，還需要同步不同節點之間的量子操作。 亞納秒精度 這並非一件微不足道的事。
此外，上層軟體也存在明顯的成熟度不足：它們需要 量子路由協定用於分發量子任務的編排工具、在多個節點之間協調的糾錯系統、供開發人員編寫分散式演算法而不至於崩潰的 API 等。
在安全領域，這個問題具有兩面性。一方面，功能夠強大的量子電腦可能… 打破它們 目前加密演算法 基於RSA或橢圓曲線密碼學（ECC）的這些攻擊威脅著銀行交易、軍事通訊和敏感醫療資料。另一方面，同樣的量子技術也提供了諸如量子金鑰分發之類的工具，可以實現理論上無法破解的安全通訊。
這就是為什麼IBM、思科和其他產業參與者正在努力的原因。 後量子密碼學與量子安全協議 在開發硬體的同時，他們也在進行相關部署。其理念是，當量子電腦能夠攻擊現有系統時，我們已經擁有應對這種新型威脅的可靠替代方案。
至於時間表，預測速度一直在加快。幾年前，人們認為完全可運作的量子電腦要到2040年才能問世。而現在，IBM預測… 量子計算的實際應用 對於特定應用而言，可能需要 5 到 10 年的時間，並且 2030 年代末是量子互聯網走向更成熟狀態的合理時間。
同時，IBM-思科聯盟本身也在考慮退出 顯示中間里程碑首先，實現不同低溫系統中兩個量子處理單元之間的連結；然後，建立同一資料中心內的網路；之後，實現不同資料中心之間的連結。所有這些都伴隨著學術和合作研究計畫的共同資助，旨在促進更廣泛的量子生態系統的發展。
IBM 和思科的此次合作描繪了一幅圖景： 量子計算不再是孤立的實驗 它正逐漸成為全球數位基礎設施的關鍵組成部分。如果他們能夠解決穩定性、糾錯、互聯和安全性方面的挑戰，我們或許會在未來十年內見證分散式量子網路的誕生，它將像網路徹底改變經典運算一樣，徹底變革金融、醫療、物流和材料科學等領域。
