Paul Arends
Kwantumcomputing is de toekomst van rekenkracht. Verwacht wordt dat dit de manier zal veranderen waarop complexe problemen worden opgelost op verschillende gebieden, van de ontdekking van geneesmiddelen en financiële modellen tot weersvoorspellingen en cyberbeveiliging. Maar hoe en wanneer zal quantum computing toegankelijk worden voor deze velden en daarbuiten?
Roadmaps van grote leveranciers voorspellen dat het aantal fysieke qubits binnen de komende drie jaar zal stijgen tussen de 1.000 en 10.000. Dit klinkt indrukwekkend, maar voor het oplossen van hoogwaardige problemen zijn miljoenen qubits nodig.
Het antwoord ligt niet alleen in het bouwen van grotere kwantumcomputers, maar ook in het verbinden ervan. Een gedistribueerde aanpak, waarbij veel kwantumverwerkingseenheden verenigd zijn in een kwantumnetwerk, zal ons helpen om met grotere efficiëntie bruikbare kwantumcomputers te realiseren. Tot nu toe ontbreekt er een kritieke hardwarecomponent.
Het ontbrekende stukje in kwantumnetwerken
Vandaag heeft Cisco de Cisco Universal Quantum Switch aangekondigd, een werkend onderzoeksprototype waarmee kwantumcomputers van verschillende leveranciers, samen met kwantumsensoren van verschillende typen, verbonden kunnen worden tot één samenhangend netwerk. Het werkt door verstrengelde fotonen te routeren terwijl hun kwantumtoestand behouden blijft. Het converteert tussen alle belangrijke coderings- en kwantumverstrengelingsmodi en werkt bij kamertemperatuur, op telecommunicatiefrequenties, via standaard telecommunicatievezels. Geen cryogene technologie of aangepaste infrastructuur nodig. Dit is waar het nut in de echte wereld om de hoek komt kijken.
Stel je voor dat je miljarden mensen en tientallen miljarden machines met directe kabels verbindt. Het zou niet schaalbaar zijn. Het internet is ontstaan doordat we via klassieke switches tientallen miljarden eindpunten met elkaar konden verbinden. De Cisco Universal Quantum Switch is het kwantum-equivalent.
Wanneer twee door verschillende bedrijven gebouwde kwantumcomputers een kwantumstatus moeten delen, accepteert de schakelaar het binnenkomende kwantumsignaal in welke modus het ook binnenkomt. Het converteert het vervolgens intern naar een neutrale gemeenschappelijke modus voor routering en verzendt het in de modus die door het ontvangende systeem wordt verwacht. Het lastige is dat het lezen van een kwantumsignaal ervoor zorgt dat het instort, en daarom kunnen klassieke schakelaars dit werk niet doen. De Cisco Universal Quantum Switch meet nooit de kwantumtoestand.
Wat betekent ‘universeel’ eigenlijk?
Onze switch is universeel en ondersteunt alle belangrijke kwantumcoderingsmodi, zodat u kwantumcomputers en kwantumsensoren van verschillende typen via één enkele schakelaar kunt verbinden. Onze proof of concept valideert het schakelmechanisme dat ervoor zorgt dat het werkt, en de Cisco Universal Quantum Switch pakt vier uitdagingen aan die kwantumnetwerken hebben belemmerd.
Verbind elk kwantumapparaat efficiënt met elkaar, terwijl de kwantumeigenschappen behouden blijven. Point-to-point-verbindingen worden omslachtig en snel, en elk van deze verbindingen moet verstrengeling en codering behouden om bruikbaar te zijn. Voor het volledig point-to-point verbinden van een datacenter met 1.000 knooppunten zijn ongeveer 500.000 directe verbindingen nodig. Een schakellaag elimineert deze complexiteit en houdt delicate kwantumtoestanden van begin tot eind intact, zonder dat er een fysieke vezel tussen elk paar apparaten nodig is.
Modusconversie door verstrengeling en codering. Kwantumsystemen maken hoofdzakelijk gebruik van vier belangrijke coderingsmethoden: polarisatie, tijdbak, frequentiebak en pad, en gebruiken daarnaast verschillende verstrengelingsschema’s. Cisco Universal Quantum Switch is ontworpen om alle vier de modi te ondersteunen en er dynamisch tussen te converteren, zodat systemen met verschillende op fysica gebaseerde architecturen kunnen communiceren zonder de manier waarop ze intern werken te veranderen.
Verbind computerknooppunten en sensoren van elk type. Modusconversie ontgrendelt echte heterogeniteit voor zowel kwantumcomputers als kwantumsensoren. Een QPU van neutraal atoom kan communiceren met een QPU van gevangen ionen, die op zijn beurt via dezelfde schakelaar kan communiceren met een fotonische of neutraal-atoomsensor. Kwantumdatacentra en kwantumsensornetwerken die op deze manier zijn gebouwd, kunnen nieuwe technologieën ontwikkelen en integreren zodra ze zich voordoen, zonder gebonden te zijn aan een enkele standaard of modaliteitsarchitectuur.
Bundel dure bronnen over het hele netwerk. Componenten zoals detectoren voor afzonderlijke fotonen en verstrengelingsbronnen kunnen duur en lastig te implementeren en te beheren zijn. Zonder switch zijn ze toegewijd aan enkele point-to-point-verbindingen, wat betekent dat u betaalt voor hardware die het grootste deel van de tijd inactief is, terwijl de operationele complexiteit toeneemt. De switch centraliseert het poolen van bronnen, zodat één pool van detectoren en bronnen het hele netwerk bedient. Het maakt grootschalige kwantumnetwerken economisch en operationeel levensvatbaar.
Nutsbedrijven uit de echte wereld
Cisco Universal Quantum Switch is gebouwd met reële datacenteromstandigheden in gedachten, met als doel te integreren in de infrastructuur die u al beheert.
- Werking bij kamertemperatuur.
Elimineert de behoefte aan cryogene infrastructuur, waardoor de complexiteit en kosten worden verminderd. - Standaard telecommunicatievezel.
Het werkt op telecommunicatiefrequenties en profiteert van de bestaande glasvezelinfrastructuur die tegenwoordig al internetverkeer vervoert. - Minimale inbrengboete.
Klassieke waarde onderweg
Dit onderzoeksprototype maakt ook toepassingen mogelijk die waarde kunnen bieden voor klassieke gebruiksscenario’s terwijl het volledige kwantuminternet nog in opbouw is.
Quantum Alert wordt ontwikkeld om getwiste fotonparen te gebruiken om afluisteren van bestaande glasvezel te detecteren. Bij elk afluisteren wordt de verstrengeling verstoord en wordt een alarm geactiveerd, wat resulteert in afluisterdetectie op basis van de wetten van de natuurkunde in plaats van op softwarematige aannames.
Kwantumsynchronisatie wordt onderzocht als een manier om gecorreleerde besluitvorming over gedistribueerde locaties mogelijk te maken zonder de gebruikelijke lichtsnelheidsbeperkingen van het klassieke doorgeven van berichten.
Beide zijn onderzoeksprototypes. Beide worden praktischer en kunnen op grotere schaal resultaten opleveren wanneer verstrengelingsbronnen en detectoren over dit netwerk kunnen worden gedeeld in plaats van specifiek voor elke point-to-point-verbinding.
Het pad doorkruist het netwerk
Klassiek computergebruik werd jaren geleden geconfronteerd met een versie van dezelfde uitdaging. Fabrikanten hebben te maken gehad met fysieke, operationele en economische beperkingen bij het schalen van individuele systemen. Het keerpunt?
Netwerk ze zodat de werklast kan worden verdeeld over vele knooppunten die als één functioneren. Simpel gezegd, zowel opschalen als opschalen. Quantum volgt hetzelfde pad en Cisco brengt al veertig jaar dezelfde expertise in bij het aansturen van klassieke computers: het bouwen van de netwerkinfrastructuur die alles met elkaar verbindt.
De switch sluit zich aan bij een full-stack quantumnetwerkproject van Cisco Quantum Labs dat varieert van chips tot protocollen tot apps, die allemaal richting onze North Star marcheren in het mogelijk maken van gedistribueerde quantum computing. Alles is leveranciersneutraal en ontworpen voor echte glasvezel- en datacenteromstandigheden.
Door samenwerking met IBM, Atom Computing en anderen bouwen we de laag die hun werk interoperabel en op schaal inzetbaar maakt. Het pad naar praktische kwantumcomputing loopt via het netwerk en wordt nu aangelegd.
Ontdek de volledige stapel kwantumnetwerken op outshift.com. Woon ons volgende webinar bij om de schakelaar in actie te zien en registreer u hier om uw plek veilig te stellen.
Lees het persbericht.
