Десятилетиями дискуссии о квантовых вычислениях напоминали семейные поездки на машине, где кто-то с заднего сиденья постоянно спрашивает: «Мы уже приехали?» И, как всегда бывает в долгих путешествиях, ответ был: «Ещё нет, но уже скоро».
Однако в последнее время атмосфера вокруг этой технологии ощутимо изменилась: практически каждую неделю появляются новости о значимых шагах к созданию практичной и отказоустойчивой квантовой системы. Всего за несколько зимних месяцев Google, Amazon Web Services и Microsoft представили квантовые чипы, приблизившие решение критической проблемы коррекции ошибок. Microsoft заявила, что благодаря её процессору эру надёжных квантовых вычислений осталось ждать лишь нескольких лет, а не десятилетий.
Тем временем, прорывы продолжаются. Исследователи группы Engineering Quantum Systems из MIT в этом месяце анонсировали новый сверхпроводящий контур — «квартонный соединитель» (quarton coupler), — который позволит квантовым процессорам выполнять коррекцию ошибок до того, как хрупкие кубиты потеряют когерентность. Тем временем квантовые специалисты Google призывают к сотрудничеству между индустрией и академическими кругами для преодоления аппаратных и интеграционных барьеров.
Чип для создания квантовой запутанности
Однако ключевая новость, на которой мы хотим сосредоточиться в этой статье, другая - Cisco Systems представила прототип чипа для создания квантовой запутанности в сетях, разработанный совместно с Калифорнийским университетом. Как отметил Виджой Пандей, старший вице-президент подразделения Outshift (отвечающего за R&D и инновации в Cisco), это ускорит появление «практически значимых» квантовых приложений.
Чип для создания запутанности добавляет новые детали в дискуссию о том, как могут выглядеть квантовые вычисления в будущем. Вполне вероятно, что квантовые вычисления станут распределёнными и облачными, где небольшие системы объединяются через квантовые сети для масштабируемости — подобно современным классическим компьютерам.
В своем блоге Пандей подчеркнул, что главная проблема отрасли — необходимость миллионов кубитов для квантовых приложений, тогда как сегодняшние системы оперируют десятками или сотнями. По прогнозам, к концу десятилетия их число достигнет тысяч.
«Десятилетия назад классические вычисления сталкивались с аналогичными вызовами, пока мы не начали объединять узлы через сетевую инфраструктуру, создавая мощные распределённые системы в дата-центрах и облаках, — написал он. — Как и монолитные компьютеры ушли в прошлое, будущее квантовых технологий — не в единой гигантской машине, а в масштабируемых квантовых дата-центрах, где процессоры взаимодействуют через специализированные сети».
Необходимость квантовой сети
Для создания распределённой квантовой среды и её масштабирования за пределы нынешних скромных количеств кубитов потребуется квантовая сетевая инфраструктура. Такие дата-центры подразумевают объединение множества QPU (квантовых процессоров) через сети, что позволит распределённой архитектуре масштабироваться под задачи крупных квантовых систем. В итоге эти центры станут основой глобальной квантовой сети, или квантового интернета.
Чип для создания квантовой запутанности — ключевой элемент такой инфраструктуры. Запутанность критична для квантовых вычислений, так как позволяет парам кубитов (в случае Cisco — фотонов) оставаться связанными даже на больших расстояниях. Это невозможно для классических битов и делает квантовые системы на порядки мощнее обычных компьютеров.
Пары фотонов
По словам Раманы Компеллы, руководителя Cisco Research и ведущего инженера, и Резы Нежабати, главы Quantum Research и Quantum Labs, прототип чипа использует спонтанное четырёхволновое смешение. Этот процесс создаёт запутанные пары фотонов, генерируя более миллиона рабочих пар в секунду на канал или до 200 миллионов пар в секунду на чип.
Чип демонстрирует 99% точности (fidelity) при потреблении менее 1 милливатта (мВт) энергии и работает при комнатной температуре без специализированного охлаждения, что делает его пригодным для современных дата-центров. Кроме того, чип совместим с существующей оптоволоконной инфраструктурой, что позволяет использовать его в текущих системах.
Коммутаторы и сетевые адаптеры
Чип для создания запутанности станет ключевым элементом квантовых дата-центров, над которыми работает Cisco. Эти центры будут включать аналоги современных сетевых компонентов, таких как коммутаторы и сетевые интерфейсные карты (NIC).
«Квантовые сети требуют принципиально новых компонентов, работающих на уровне квантовой механики, — подчеркнули в Cisco. — В отличие от классических сетей, здесь нельзя оцифровывать информацию: квантовые свойства должны сохраняться на всём пути передачи. Для этого нужны специализированные аппаратные и программные решения, а также протоколы, не имеющие аналогов в классических сетях».
Дизайн квантового коммутатора включает волноводовые устройства для маршрутизации кубитов без их измерения или наблюдения, что могло бы внести шум, свет, вибрацию или другие помехи, разрушающие хрупкие квантовые состояния. Квантовые NIC, совместимые с любыми системами, будут связывать квантовые чипы с сетью, а распределённый компилятор — делить квантовые алгоритмы между процессорами и управлять запутанностью.
По словам Пандея, Cisco также разрабатывает другие элементы стека квантовых сетей: от протоколов распределения запутанности до набора Quantum Network Development Kit (QNDK). Создание как аппаратного, так и программного обеспечения — ключевая часть стратегии компании, позволяющая понять, как компоненты взаимодействуют в сетевой среде.
«В то время как некоторые компании фокусируются на одной технологии квантовых вычислений (сверхпроводники, ионные ловушки или нейтральные атомы), Cisco строит универсальную платформу, совместимую с любыми решениями, — отметил Пандей. — Это ставит нас в позицию, аналогичную NVIDIA: мы не продвигаем узкую технологию, а выступаем катализатором для всей отрасли».
