Είναι Δυνατή η Σύνδεση Υπολογιστών Κβαντικούς σε Σειρά; Οι Ερευνητές Έχουν Μια Απάντηση

Αύξηση της Κβαντικής Υπολογιστικής

Quantum computers are expected to one day become the core technology for advanced computation within biotechnology, material sciences, finances, cryptography, and other complex systems that silicon-based computers struggle to deal with.

Ωστόσο, δύο πράγματα έχουν εμποδίσει την ευρεία διάδοση των κβαντικών υπολογιστών.

Το πρώτο είναι ότι όσο περισσότερα κβιτ (το κβαντικό ισοδύναμο του δυαδικού bit) υπάρχουν σε ένα σύστημα, τόσο μεγαλύτερο είναι το σφάλμα, με οποιαδήποτε αστάθεια να προκαλεί εφέ ντόμινο.

Αυτό ίσως σύντομα να γίνει πρόβλημα του παρελθόντος, χάρη στην πρόσφατη πρόοδο που σημειώθηκε από Google (GOOGL ) and its Willow chip, η οποία επιτυγχάνει μειωμένο ρυθμό σφάλματος όσο προστίθενται περισσότερα κβιτ.

Το άλλο ζήτημα είναι ότι πιθανώς υπάρχει όριο μεγέθους για το πόσο μεγάλος μπορεί να γίνει ένας μεμονωμένος κβαντικός υπολογιστής, με τον ίδιο τρόπο που ένα πυριτιούχο τσιπ μπορεί να γίνει μόνο μέχρι ένα σημείο πριν αντιμετωπίσει προβλήματα με την τροφοδοσία, την υπερθέρμανση κ.λπ.

Αυτό επίσης μπορεί να λυθεί, χάρη στις εργασίες ερευνητών του Πανεπιστημίου του Όξφορντ. Κατάφεραν να δημιουργήσουν ένα κατανεμημένο δίκτυο κβαντικών υπολογιστών, παρόμοιο με το πώς λειτουργούν οι διακομιστές που χρησιμοποιούν πυριτιούχα τσιπ, ανοίγοντας ενδεχομένως το δρόμο για κβαντικούς υπερυπολογιστές.

Ανακοίνωσαν τα αποτελέσματά τους στη διακεκριμένη δημοσίευση Nature, με τίτλο “Distributed quantum computing across an optical network link”¹.

Σύνδεση Κβαντικών Υπολογιστών

Ο τρόπος λειτουργίας των κβαντικών υπολογιστών αυτή τη στιγμή είναι ως απομονωμένες μονάδες, που περιέχουν μερικές εκατοντάδες ή ίσως χίλιες κβιτ για τους πιο προηγμένους.

Το πρόβλημα είναι ότι η αύξηση του μεγέθους τους είναι εξαιρετικά πολύπλοκη, καθώς όσο μεγαλύτερο είναι το σύστημα, τόσο περισσότερη αστάθεια και διαταραχές από το περιβάλλον μπορούν να διαταράξουν τα κβαντικά φαινόμενα στα οποία βασίζεται ο υπολογιστής.

Ταυτόχρονα, οι χρήσιμοι υπολογισμοί πιθανότατα θα απαιτήσουν εκατομμύρια κβιτ, θέτοντας τη βιομηχανία σε ένα πιθανό αδιέξοδο. Τουλάχιστον, όσο οι κβαντικοί υπολογιστές δεν μπορούν να συνδεθούν μεταξύ τους.

Και αυτό είναι πιο εύκολο να πει κανείς παρά να το κάνει, επειδή οι κβαντικοί υπολογιστές διαφέρουν πολύ από τα πυριτιούχα τσιπ. Σε παραδοσιακούς υπολογιστές, το 0 & 1 είναι ένα ηλεκτρικό σήμα που μπορεί να μεταδοθεί σε άλλο μηχάνημα σχετικά εύκολα.

Για τους κβαντικούς υπολογιστές, είναι η ίδια η κβαντική κατάσταση των κβιτ που πρέπει να μεταδοθεί. Αυτές οι κβαντικές καταστάσεις είναι δύσκολο να παραμείνουν σταθερές εκτός πολύ συγκεκριμένων συνθηκών, συνήθως περιλαμβανομένων υπερ-χαμηλών θερμοκρασιών μόλις λίγους βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν.

Αξιοποίηση της Κβαντικής Τηλεμεταφοράς

Προηγούμενο Πείραμα Κβαντικής Τηλεμεταφοράς

In Ιανουάριος 2025, we reported the first indication that quantum teleportation in optical fiber was a possibility. Φαίνεται ότι θα μπορούσε ακόμη και να μεταφερθεί σε κανονικά οπτικά δίκτυα μαζί με τις «κανονικές» ροές δεδομένων.

Αν και ακούγεται σαν κάποιο φανταστικό concept από ταινία επιστημονικής φαντασίας, η κβαντική τηλεμεταφορά είναι στην πραγματικότητα ένα πραγματικό φαινόμενο που μελετάται για δεκαετίες.

Αυτό συμβαίνει όταν 2 διαφορετικά σωματίδια «ζευγαρώνονται/συνδέονται» μεταξύ τους, κάτι που ονομάζεται κβαντική εμπλοκή.

Σε αυτήν την περίπτωση, όταν δύο σωματίδια συνδέονται, ανεξάρτητα από την απόσταση μεταξύ τους, ανταλλάσσουν πληροφορίες σε μεγάλες αποστάσεις — χωρίς να τις μεταφέρουν φυσικά. Σε ορισμένες περιπτώσεις, μπορεί ακόμη να είναι δυνατόν η ανταλλαγή πληροφοριών να συμβαίνει ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός, κάτι θεωρητικά αδύνατο.

Αυτό ήταν ένα πολύ σημαντικό πρώτο βήμα, καθώς έδειξε ότι δεν θα χρειαστούμε νέα τεχνολογία για να λειτουργήσουν τα καλώδια που μπορούν να εκτελέσουν κβαντική τηλεμεταφορά μεταξύ κβαντικών υπολογιστών.

Αλλά δεν ήταν ακόμη μια άμεση σύνδεση μεταξύ 2 κβαντικών υπολογιστών.

Σύνδεση Κβιτ

Αυτό είναι το βήμα που πέτυχαν οι ερευνητές του Όξφορντ. Χρησιμοποίησαν οπτικές ίνες για να συνδέσουν μεταξύ τους κβιτ και να τα εμπλέξουν, χρησιμοποιώντας φωτόνια (σωματίδια φωτός).

Πηγή: Nature

Στο εργαστηριακό πείραμα, οι μονάδες χωρίστηκαν κατά περίπου 2 μέτρα, η κάθε μία περιέχοντας αποκλειστικά δίκτυα και κυκλώματα κβιτ. Αλλά θα μπορούσαν επίσης να επιτευχθούν μεγαλύτερες αποστάσεις.

Με προσεκτική προσαρμογή αυτών των αλληλεπιδράσεων, μπορούμε να εκτελέσουμε λογικές κβαντικές πύλες – τις θεμελιώδεις λειτουργίες της κβαντικής υπολογιστικής – μεταξύ κβιτ που φιλοξενούνται σε ξεχωριστούς κβαντικούς υπολογιστές.

Αυτή η πρόοδος μας επιτρέπει να «συνδέσουμε» αποτελεσματικά διαφορετικούς κβαντικούς επεξεργαστές σε έναν ενιαίο, πλήρως συνδεδεμένο κβαντικό υπολογιστή.

Dougal Main – Graduate Student at Ion trap quantum computing research group at Oxford

Πηγή: Nature

Ο τύπος κβαντικού υπολογιστή που χρησιμοποιήθηκε ήταν μονάδες παγιδευμένων ιόντων. Οι κβαντικοί υπολογιστές παγιδευμένων ιόντων γενικά περιέχουν πολύ λιγότερα κβιτ, αλλά με πολύ μεγαλύτερη αξιοπιστία και αποδοτικότητα, με παρόμοιο αριθμό κβιτ να επιτυγχάνει αποτελέσματα 100-1.000 φορές πιο αξιόπιστα από άλλες μεθόδους κβαντικής υπολογιστικής.

Πηγή: Quantinuum

Υψηλή Αποδοτικότητα

Η εμπλοκή μεταξύ των δικτυωμένων κβιτ πέτυχε πιστότητα 86%.

Κατά την εκτέλεση του αλγορίθμου αναζήτησης του Grover, ένα χρήσιμο σημείο αναφοράς όπου οι κβαντικοί υπολογιστές υπερέχουν ριζικά από τους κανονικούς, το ποσοστό επιτυχίας ήταν 71%.

Ο αλγόριθμος αναζήτησης του Grover αναζητά ένα συγκεκριμένο αντικείμενο σε ένα μεγάλο, αδόμητο σύνολο δεδομένων πολύ πιο γρήγορα από ό,τι μπορεί ένας κανονικός υπολογιστής, χρησιμοποιώντας τα κβαντικά φαινόμενα της υπέρθεσης και της εμπλοκής για να εξερευνήσει πολλές δυνατότητες παράλληλα.

Αυτό είναι αξιοσημείωτα υψηλό, ειδικά όταν λαμβάνεται υπόψη ότι ήταν μια πρωτοφανής επίτευξη πριν από οποιαδήποτε βελτιστοποίηση ή βελτίωση της μεθόδου.

Αντίκτυπος Αυτής της Ανακάλυψης

Κβαντικοί Υπερυπολογιστές;

Αυτό ανοίγει το δρόμο για έναν εντελώς διαφορετικό τρόπο κατασκευής κβαντικών υπολογιστών, μιμούμενο τον τρόπο που οι υπερυπολογιστές κατασκευάζονται από ξεχωριστά υποσυστήματα που ανταλλάσσουν τους υπολογισμούς τους μεταξύ τους.

Ένα τέτοιο σύστημα θα ήταν επίσης αξιοσημείωτα αρθρωτό, αντί να απαιτεί έναν ολοένα και πιο πολύπλοκο κεντρικό κβαντικό υπολογιστή.

Με τη διασύνδεση των μονάδων χρησιμοποιώντας φωτονικά συνδέσμους, το σύστημα αποκτά πολύτιμη ευελιξία, επιτρέποντας την αναβάθμιση ή την αντικατάσταση των μονάδων χωρίς να διαταράσσεται η συνολική αρχιτεκτονική.

Dougal Main – Graduate Student at Ion trap quantum computing research group at Oxford

Πηγή: Nature

Ανάκαμψη της Τεχνολογίας Παγιδευμένων Ιόντων

Μέχρι τώρα, η τεχνολογία παγιδευμένων ιόντων ήταν η πιο αξιόπιστη και η πιο κοντά στην πρακτική χρήση, αλλά περιοριζόταν από τη δυσκολία προσθήκης περισσότερων κβιτ σε ένα δεδομένο σύστημα. Για αυτόν τον λόγο, αναμενόταν ότι άλλα συστήματα που χρησιμοποιούν υπεραγωγικά κβιτ θα αποτελέσουν την τελική μορφή του κβαντικού υπολογιστή.

Εάν η τεχνολογία παγιδευμένων ιόντων μπορεί να ξεπεράσει αυτό το όριο μέσω βελτιωμένης δικτύωσης, αυτό ίσως δεν ισχύει πια. Αυτό θα κάνει τις εταιρείες που εξειδικεύονται σε αυτόν τον τομέα πολύ πιο ελκυστικές για τους επενδυτές.

Εταιρεία Κβαντικής Υπολογιστικής με Παγιδευμένα Ιόντα

IonQ

IonQ is a quantum computing company using trapped-ion technology, founded by pioneering scientists in the field from the University of Maryland and Duke University. It was publicly listed on the NYSE in 2021.

Οι πλατφόρμες κβαντικής υπολογιστικής της IonQ είναι σε θέση να παράγουν αποτέλεσμα με πιστότητα 99,9%. Αυτή τη στιγμή χρησιμοποιεί μια αλυσίδα 64 ιόντων μπαρίου, παράγοντας ένα αλγοριθμικό κβιτ (AQ) 36. Η οργάνωση της αλυσίδας επιτρέπει πολύ ταχύτερους υπολογισμούς σε σύγκριση με άλλα σχέδια παγιδευμένων ιόντων χωρίς να χάνει την πιστότητα.

Πηγή: IonQ

IonQ acquired Qubitekk in Ιανουάριος 2025, προσθέτοντας στις λειτουργίες της την ομάδα της εταιρείας και 118 διπλώματα ευρεσιτεχνίας στην IonQ. Η εξειδίκευση της Qubitekk είναι στα κβαντικά δίκτυα, χρησιμοποιώντας φωτονικές συνδέσεις, επιτρέποντας κβαντικούς κόμβους και προωθώντας τις δυνατότητες του κβαντικού διαδικτύου.

Τα κβαντικά δίκτυα θα πρέπει να διευκολύνουν εξαιρετικά ασφαλείς επικοινωνίες και τελικά να επιτρέπουν κατανεμημένη κβαντική υπολογιστική. Λαμβάνοντας υπόψη το πόσο γρήγορα εξελίσσεται ο τομέας, η εξειδίκευση και οι πνευματικές ιδιοκτησίες σε αυτό το θέμα μπορεί να αποδειχθούν κρίσιμες για το μέλλον της IonQ.

Η IonQ αναπτύσσει επίσης μια συνεργασία με NKT Photonics (NKT.CO) για να βοηθήσει στην ανάπτυξη μελλοντικών κβαντικών υπολογιστών έτοιμων για κέντρα δεδομένων.

It is also collaborating with Imec σε φωτονικά ενσωματωμένα κυκλώματα και τεχνολογία παγίδευσης ιόντων σε επίπεδο τσιπ, για να αυξήσει τον αριθμό κβιτ της εταιρείας καθώς και το μέγεθος και το κόστος του συστήματος.

Αντί να αναπτύσσει το δικό της SDK (Software Development Kit), η εταιρεία υποστηρίζει όλα τα μεγάλα SDK ταυτόχρονα και συνεργάζεται με πολλές κορυφαίες εταιρείες για την ανάπτυξη νέων εφαρμογών κβαντικής υπολογιστικής.

Πηγή: IonQ

Η IonQ είναι η πιο κοντινή σε καθαρό κβαντικό μετοχικό τίτλο για επενδυτές που δεν ενδιαφέρονται για τις κύριες δραστηριότητες άλλων ηγετών όπως η Google, η Intel (INTC ), η IBM ή η Honeywell.

Έτσι, μαζί με τον ανταγωνιστή της Quantinuum, μέρος της Honeywell (HON ), η IonQ είναι πιο κοντά στην ανάπτυξη εμπορικών κβαντικών υπολογιστών, εστιάζοντας σε συστήματα παγιδευμένων ιόντων με υψηλή πιστότητα και μικρότερο αριθμό κβιτ.

Η πρώιμη επιτυχία της έχει βοηθήσει να χτίσει ένα ισχυρό δίκτυο συνεργασιών με άλλους καινοτόμους κβαντικής υπολογιστικής για να προωθήσουν αυτήν την τεχνολογία, με πρόσφατη επαναπροσανατολισμό σε δικτυωμένους κβαντικούς υπολογιστές.

Αναφορά Μελέτης:

^{1. Main, D., Drmota, P., Nadlinger, D.P., et al.(2025) Distributed quantum computing across an optical network link. Nature 638, 383–388. https://doi.org/10.1038/s41586-024-08404-x}