IBM和思科計劃建立一個大規(guī)模、容錯的量子計算機網(wǎng)絡(luò)

  ICC訊  IBM與思科宣布，雙方有意合作為網(wǎng)絡(luò)分布式量子計算奠定基礎(chǔ)，目標在2030年代初實現(xiàn)。通過將IBM在構(gòu)建實用量子計算機方面的領(lǐng)導(dǎo)地位與思科在量子網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的創(chuàng)新相結(jié)合，雙方計劃探索如何將大規(guī)模容錯量子計算機擴展到超越IBM雄心勃勃的路線圖之外。此外，他們還將致力于解決通往量子計算互聯(lián)網(wǎng)途中的基本挑戰(zhàn)。

  IBM與思科將在五年內(nèi)致力于展示首個概念驗證網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)將多個獨立的大規(guī)模容錯量子計算機連接起來，使它們能夠協(xié)同運行，處理數(shù)萬至數(shù)十萬個量子比特的計算任務(wù)。這一網(wǎng)絡(luò)將允許運行可能需要數(shù)萬億量子門的問題，量子門是實現(xiàn)變革性量子應(yīng)用所需的基本糾纏操作，例如大規(guī)模優(yōu)化問題，或復(fù)雜材料與藥物的設(shè)計。

  IBM研究總監(jiān)兼IBM院士Jay Gambetta表示：“在IBM，我們的路線圖包括在本世紀末前交付大規(guī)模容錯量子計算機的計劃。通過與思科合作，探索如何將多臺這樣的量子計算機連接成分布式網(wǎng)絡(luò)，我們將追求如何進一步擴展量子計算能力。在我們構(gòu)建計算未來的過程中，我們的愿景將推動量子計算機在更大規(guī)模的高性能計算架構(gòu)中所能實現(xiàn)的前沿。”

  思科Outshift部門總經(jīng)理/高級副總裁Vijoy Pandey表示：“讓量子計算達到實用規(guī)模不僅是建造更大的單機，還涉及將它們連接在一起。IBM正以積極的路線圖構(gòu)建量子計算機，而我們則提供實現(xiàn)橫向擴展的量子網(wǎng)絡(luò)。我們將共同將這個挑戰(zhàn)作為完整的系統(tǒng)問題來解決，包括連接量子計算機的硬件、跨系統(tǒng)運行計算的軟件，以及使其正常工作的網(wǎng)絡(luò)智能?！?

  擴展分布式量子計算網(wǎng)絡(luò)

  IBM與思科打算探索開發(fā)能夠物理連接多臺大規(guī)模容錯量子計算機以形成網(wǎng)絡(luò)分布式量子計算的量子硬件與軟件。

  兩家公司目標在2030年底前完成初步概念驗證演示，計劃讓位于不同低溫環(huán)境中的多臺獨立量子計算機的量子比特實現(xiàn)糾纏。為此，兩家公司將需要發(fā)明新型連接技術(shù)，包括微波-光學(xué)換能器及配套的軟件棧。

  思科的量子數(shù)據(jù)中心愿景為未來不遠實現(xiàn)分布式量子計算提出了一種量子網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)。該愿景包括完整的硬件與軟件棧，旨在保護脆弱的量子態(tài)、分配糾纏資源、在量子計算機之間實現(xiàn)量子隱形傳態(tài)，并以亞納秒級精度同步操作。

  為了擴展到連接兩臺獨立但物理位置相近的量子計算機之外，IBM與思科計劃探索如何在更長距離上傳輸量子比特，例如在建筑物或數(shù)據(jù)中心之間傳輸。為此，兩家公司將探索光學(xué)光子和微波-光學(xué)換能器技術(shù)，并研究如何將其整合進量子網(wǎng)絡(luò)以按需傳輸量子信息。

  連接多臺量子計算機將需要合適的接口。IBM計劃構(gòu)建一個量子網(wǎng)絡(luò)單元（QNU），作為量子處理單元（QPU）的接口，其明確任務(wù)是將QPU中靜止的量子信息通過QNU轉(zhuǎn)換為"飛行"量子信息，進而通過網(wǎng)絡(luò)在多臺量子計算機之間進行鏈接。

  思科的量子網(wǎng)絡(luò)將致力于按需將糾纏分配給任意配對的QNU，以驅(qū)動給定量子算法或應(yīng)用所需的量子信息傳輸。為此目標，思科正在開發(fā)高速軟件協(xié)議框架，可連續(xù)動態(tài)地重配置網(wǎng)絡(luò)路徑，從而在QNU完成部分計算后向其分配糾纏。

  兩家公司計劃共同研究由新型硬件和開源軟件組成的網(wǎng)絡(luò)橋如何使用思科量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，通過QNU接口在數(shù)據(jù)中心內(nèi)連接多臺IBM QPU。未來，這一方法可擴展至跨多個數(shù)據(jù)中心連接QPU。這將進一步擴展更大規(guī)模的量子網(wǎng)絡(luò)，為未來的量子計算互聯(lián)網(wǎng)奠定基礎(chǔ)。

  通過該架構(gòu)連接的IBM量子計算機可承載大規(guī)模計算密集型工作負載，包括那些在高性能計算框架中作為量子-centric超級計算組成部分而需要高性能計算資源的任務(wù)。

  為實現(xiàn)這一愿景，IBM還與費米國家加速器實驗室領(lǐng)導(dǎo)的超導(dǎo)量子材料與系統(tǒng)中心（SQMS）合作，作為美國能源部國家量子信息科學(xué)研究中心中四個中心的成員。IBM與SQMS打算研究量子數(shù)據(jù)中心內(nèi)可使用的QNU數(shù)量，并計劃在三年內(nèi)完成多個互聯(lián)QPU的初步演示。

  量子計算互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)

  構(gòu)建分布式可擴展的量子計算網(wǎng)絡(luò)將為指數(shù)級擴展的計算空間開辟路徑，并使多種技術(shù)的擴展成為可能，這可能在2030年代末開始形成未來的量子計算互聯(lián)網(wǎng)。

  量子計算互聯(lián)網(wǎng)提供了這樣一個未來：許多分布式量子技術(shù)，如量子計算機、量子傳感器和量子通信設(shè)備相互連接并遠距離共享信息，例如在一個城域范圍內(nèi)，最終達到行星尺度。這一宏偉愿景可能催生新的可能性，例如超安全通信，或?qū)夂颉⑻鞖夂偷卣鸹顒拥木_監(jiān)測。

  作為雙方當(dāng)前合作意向的另一部分，IBM與思科計劃共同資助學(xué)術(shù)研究和協(xié)作項目，以推進更廣泛的量子生態(tài)系統(tǒng)，延續(xù)其在學(xué)術(shù)和國家實驗室中推動研究的悠久歷史。