Sieci kwantowe: Cisco przyspiesza nadejście ery komputerów kwantowych

Cisco, które odegrało kluczową rolę w budowie fundamentów współczesnego internetu, dziś koncentruje się na kolejnym kamieniu milowym — internecie kwantowym. Firma rozwija zaawansowaną technologię, która może stać się podstawą nowej generacji sieci, zdolnej w pełni wykorzystać potencjał obliczeń kwantowych. Dzięki innowacyjnemu podejściu Cisco możliwe jest znaczące przyspieszenie rozwoju praktycznych zastosowań komputerów i sieci kwantowych — nie za kilkadziesiąt lat, jak dotąd przewidywano, lecz już w perspektywie 5–10 lat.

Dwa kluczowe osiągnięcia Cisco w tym kierunku to:

Cisco Quantum Network Entanglement Chip – prototyp badawczy chipu to przełomowa technologia, która umożliwia skalowanie sieci kwantowych oraz łączenie procesorów kwantowych na potrzeby praktycznych zastosowań.

Cisco Quantum Labs – otwarcie specjalistycznego laboratorium badawczego w Santa Monica w Kalifornii, w którym naukowcy i inżynierowie pracują nad technologiami sieci kwantowych przyszłości.

Przełamanie bariery skalowania w technologiach kwantowych. W czym tkwi problem?

Dzisiejsze procesory kwantowe mają zaledwie setki kubitów, podczas gdy realne zastosowania wymagają milionów. Nawet najbardziej ambitne plany rozwoju komputerów kwantowych zakładają osiągnięcie kilku tysięcy kubitów dopiero około 2030 roku.

Dekady temu klasyczne systemy komputerowe napotykały podobne ograniczenia – do momentu, gdy zaczęto łączyć mniejsze węzły za pomocą infrastruktury sieciowej, tworząc wydajne systemy rozproszone w centrach danych i chmurze obliczeniowej. Tak jak monolityczne komputery klasyczne ustąpiły miejsca systemom rozproszonym, tak samo przyszłość technologii kwantowych nie leży w jednym, ogromnym komputerze kwantowym. Praktyczną i osiągalną drogą są skalowalne centra danych kwantowych, w których procesory współpracują ze sobą poprzez wyspecjalizowaną sieć kwantową.

„Firmy pracujące nad rozwojem procesorów kwantowych będą mogły wykorzystać technologie sieciowe Cisco do skalowania swoich systemów. Dzięki budowie tej infrastruktury już dziś, Cisco przyczynia się do dynamicznego rozwoju całego ekosystemu technologii kwantowych” – powiedział Vijoy Pandey, wiceprezes Outshift by Cisco, wewnętrznego start-upu firmy, odpowiedzialny za inkubację rozwiązań przyszłości.

Układ Cisco Quantum Network Entanglement Chip

Kluczowym elementem sieci kwantowej jest opracowany przez Cisco prototypowy układ Quantum Network Entanglement Chip, stworzony we współpracy z Uniwersytetem Kalifornijskim w Santa Barbara. Chip generuje splątane pary fotonów, umożliwiając natychmiastowe połączenia niezależnie od odległości. Zjawisko to znane jest jako „stan splątany”, jak określił je Einstein.

Czym się wyróżnia?

Zgodność z istniejącą infrastrukturą – działa w standardowych długościach fal stosowanych w telekomunikacji, co pozwala na wykorzystanie istniejącej infrastruktury światłowodowej.

Możliwość praktycznego wdrożenia – pracuje w temperaturze pokojowej jako zminiaturyzowany fotonowy układ scalony (Photonic Integrated Chip – PIC), dzięki czemu już dziś nadaje się do wdrażania w skalowalnych systemach.

Efektywność energetyczna – zużywa mniej niż 1 mW energii.

Wysoka wydajność – 1 milion splątanych par fotonów o wysokiej jakości na jeden kanał wyjściowy, do 200 milionów par na sekundę na cały układ.

Powyższe możliwości przekładają się na natychmiastową wartość biznesową – zarówno dla przyszłych centrów danych kwantowych, jak i współczesnych zastosowań klasycznych wzbogaconych o komponenty kwantowe.

Od laboratorium do rzeczywistości

Choć oficjalnie placówka Cisco Quantum Labs w Santa Monica została otwarta dopiero teraz, to zespół specjalistów już od lat pracuje nad fundamentami stosu sieci kwantowej. Laboratorium to miejsce, w którym naukowcy mogą eksperymentować z rozwiązaniami, które łączą koncepcje teoretyczne z ich praktycznym zastosowaniem. Podejście Cisco zostało szczegółowo opisane w publikacji na platformie arXiv pt. „Quantum Data Center Infrastructures ”, gdzie zaprezentowana została architektura potrzebna do budowy rozproszonych systemów obliczeń kwantowych.

Oprócz układu Cisco Quantum Network Entanglement Chip, w laboratorium rozwijane są również prototypy innych kluczowych komponentów potrzebnych do realizacji kompletnego stosu sieci kwantowej, m.in.:

protokołów dystrybucji splątania,

rozproszonego kompilatora dla komputerów kwantowych,

zestawu narzędzi Quantum Network Development Kit (QNDK),

generatora liczb losowych (Quantum Random Number Generator – QRNG) wykorzystującego szum próżni kwantowej.

Wkrótce zostaną ogłoszone kolejne komponenty infrastruktury centrum danych kwantowych, które dopełnią sieć.

Równolegle, zespoły Cisco wdrażają standardy kryptografii postkwantowej (Post-Quantum Cryptography – PQC) opracowane przez NIST w całym portfolio produktów, aby zapewnić bezpieczeństwo klasycznych sieci w erze komputerów kwantowych.

Strategiczne kierunki rozwoju sieci kwantowych

Strategia rozwoju sieci kwantowej opiera się na dwóch komplementarnych ścieżkach:

Sieć kwantowa dla świata kwantowego
Infrastruktura do łączenia procesorów kwantowych na dużą skalę, umożliwiająca realizację rozproszonych obliczeń i czujników kwantowych, algorytmów optymalizacyjnych, które mogą zrewolucjonizować m.in. odkrywanie leków, inżynierię materiałową i rozwiązywanie złożonych problemów logistycznych. Układ Cisco Quantum Network Entanglement Chip stanowi fundament tej wizji.

Sieć kwantowa dla świata klasycznego
Choć praktyczne zastosowania komputerów kwantowych są jeszcze przed nami, zasady działania sieci kwantowych już teraz przynoszą korzyści klasycznym systemom – m.in. poprzez odporne na podsłuchy szyfrowanie transmisji, ultraprecyzyjną synchronizację czasu, sygnalizację decyzji czy bezpieczną weryfikację lokalizacji.

„To, co wyróżnia podejście Cisco do sieci kwantowej, to równoległy rozwój zarówno komponentów sprzętowych, jak i oprogramowania. Projektując własne elementy sprzętowe – takie jak chip – oraz pełny stos oprogramowania, mamy unikalny wgląd w to, jak poszczególne elementy współdziałają w ramach kompletnej infrastruktury sieci kwantowej” – mówi Vijoy Pandey z Outshift by Cisco.

„Podczas gdy wiele firm skupia się wyłącznie na jednym rodzaju technologii komputerów kwantowych (np. nadprzewodzących, pułapkach jonowych lub atomach neutralnych), Cisco buduje rozwiązania neutralne technologicznie, które mogą współpracować z dowolną technologią obliczeń kwantowych. Dzięki temu, budujemy uniwersalną tkankę sieciową, która pozwoli różnym technologiom kwantowym rozwijać się na szeroką skalę” – podsumowuje Vijoy Pandey.