Stratosfääriset kvanttinen datakeskukset: Seuraava pilvi

Entä jos “pilvilaskenta” muuttuu kirjaimelliseksi? Tiedemiehet tutkivat sijoittamista kehittyneitä tietokoneita stratosfääriin ratkaistakseen yhden kvanttilaskennan keskeisistä ongelmista.

Jos toteutetaan, tämä ainutlaatuinen tapa ratkaista ongelma voi säästää jäähdytyskustannuksissa ja täysin muuttaa tavan me tiedämme ja ajattelemme kohdetta ‘pilvilaskentaa.’

Qvanttisen datakeskusten jäähdytyskustannusten kasvava hinta

Kvanttitietokoneet ovat tietokoneen tyyppi joka hyödyntää kvanttimekaniikkaa suorittaakseen monimutkaisia laskelmia paljon nopeammin kuin perinteiset tietokoneet.

Toisin kuin perinteiset tietokoneet, jotka tallentavat ja käsittelevät dataa biteissä (eli nollia tai ykkösiä), kvanttitietokoneet käyttävät kubitteja, jotka voivat olla samanaikaisesti useissa tiloissa, ilmiö nimeltä superpositio, ja voivat myös olla kytkettyinä toisiinsa, ilmiö nimeltä lomittuminen. Nämä ominaisuudet mahdollistavat kvanttitietokoneiden tutkia monia mahdollisuuksia samanaikaisesti.

Kubitteja perusyksikkönään käyttäen kvanttitietokoneet voivat suorittaa kehittynyttä rinnakkaislaskentaa ja nauttia merkittävästi lisääntyneestä tallennuskapasiteetista. Kubitit ovat kuitenkin erittäin herkkiä ympäristön melulle, kuten lämmölle, värähtelylle ja sähkömagneettiselle häiriölle.

Ne ovat yksinkertaisesti erittäin haavoittuvia ja, siksi, pidetään äärimmäisen matalissa lämpötiloissa estämään melun aiheuttamia virheitä ja varmistamaan asianmukaisen toiminnan.

Useimmat kvanttijärjestelmät toimivat todellisuudessa lämpötiloissa, jotka ovat muutamasta millikelviniä (mK) 10 K:iin.

Joten, vaikka kvanttiset datakeskukset (QDC:t) voivat suorittaa tehtävän kaksinkertaisella nopeudella kuin yksi perinteinen yksi, ne kuluttavat kymmenen kertaa enemmän energiaa kriogeenisten jäähdytysjärjestelmien käytön vuoksi.

Tämän seurauksena, on tarve tutkia QDC:iden termodynaamisia näkökohtia jotta vähentää jäähdytyksen energiankulutusta näissä datakeskuksissa.

Joitakin kvanttipiirien datakeskuksissa käytetyistä pääjäähdytysmenetelmistä ovat laserjäähdytys, laimennusjäähdytys ja pulssiputkijäjäähdytys, ja kehittyvät teknologiat, kuten magnetokalorinen efekti (ilmiö, jossa magneettiset materiaalit lämpenevät magneettikentän vaikutuksesta ja jäähtyvät kentän poistamisen jälkeen) supersolideissa, saavat myös vauhtia.

Toinen tekniikka sisältää kvanttipiirien upottamisen harvinaiseen kriogeeniseen nesteeseen helium-3, joka muuttuu superfluidiksi äärimmäisen alhaisissa lämpötiloissa ja osoittaa ainutlaatuisia kvanttisia ominaisuuksia.

Silti kvanttien kylmäympäristöjen saavuttaminen ja ylläpitäminen vaatii merkittäviä kustannuksia ja energiaa, mikä muodostaa suuren esteen kvanttisen laskennan omaksumiselle ja skaalaamiselle tälle nopeasti kehittyvälle teknologialle.

Tämä vaatii innovatiivisia insinööriratkaisuja, jotka voivat mahdollistaa suorituskykyisen kvanttisen laskennan.

KAUST:n tutkijoiden tutkimus on juuri tehnyt sen ehdottamalla kvanttiprosessorien sijoittamista stratosfäärisiin korkean ilmanalan aluksiin (HAP). Prosessorit sijoitetaan ilmapalloihin, jotka lentävät stratosfäärin läpi noin 20 kilometrin (12,4 mailin) korkeudessa, missä ympäristön lämpötila on -50 °C (noin -58 °F). 

Hyödyntämällä näitä luonnollisesti kylmiä olosuhteita tutkijat pyrkivät merkittävästi vähentämään QDC:iden jäähdytystarvetta ja mahdollistamaan kestävän, suorituskykyisen kvanttisen laskennan.

Ilmapallojen muuttaminen aurinkovoimaisiksi kriogeenisiksi datakeskuksiksi

Saudi-Arabian King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) -tutkijoiden uusi ehdotus, julkaistu lehdessä npj Wireless Technology¹, kuvaa uutta kehystä kvanttitietokoneiden sijoittamiseksi stratosfääriin ilmapallojen tai ilmalaivojen avulla.

Se myös osoittaa, että heidän ainutlaatuinen lähestymistapansa vihreään, joustavasti sijoitettavissa olevaan kvanttinen laskentaan yläilmakehässä tarjoaa parempaa energiatehokkuutta. Lisäksi järjestelmä suoriutuu laskennallisesti paremmin kuin perinteiset maassa sijaitsevat datakeskukset.

“Toimimalla pilvien ja sääjärjestelmien yläpuolella ilmalaivalla on pääsy ennustettavaan ja esteettömään aurinkoisaan säteilyyn.”

– Pääkirjoittaja, Basem Shihada, KAUSTista

Hyödyntääkseen stratosfäärin kylmiä olosuhteita tiimi ehdottaa kvanttinen laskenta -pohjaisia korkean ilmanalan aluksia (QC-HAP). Nämä stratosfääriset ilmapallot isännöivät kvanttilaitteita, jotka on suljettu kriostaatteihin ylläpitämään vaadittua kriogeenista lämpötilaa. 

Kyllä, kriostaatteja tarvitaan edelleen kvanttitilojen ylläpitämiseen, mutta näin korkealla luonnollisesti alhaiset ympäristölämpötilat vähentävät dramaattisesti kriogeeniseen jäähdytykseen tarvittavaa energiaa. 
Swipe to scroll →

Lisäksi ilmapalloihin asennetaan aurinkopaneelit muuntamaan auringonvalo sähköenergiaksi ja litium-sulfur akut varmistamaan sujuvan toiminnan yön aikana ja häiritsevissä sääolosuhteissa.

Paperin mukaan kosmiset säteet, auringon tuottamat korkea-energiapartikkeleet, vaikuttaisivat vähäisesti stratosfääristen kvanttijärjestelmien luotettavuuteen, vahvistaen alustan stratosfääristä käyttökelpoisuutta.

Taivaalla sijaitsevat QC-HAP:t tullaan liittämään maassa oleviin kvanttisen datakeskuksiin.

Tätä varten HAP:t lähettäisivät valoaalloissa koodattua tietoa avaruusoptisen (FSO) viestinnän kautta. Pilvisissä olosuhteissa radiotaajuuslinkit toimivat varmistuksena.

Estääkseen signaalin heikkenemisen ja dekohesion datan kulkiessa ilmakehän läpi, tiimi ehdottaa käyttävänsä välivaiheena alemmilla korkeuksilla sijaitsevia ballonialustoja välityspisteinä.

QC-HAP:ien suuri etu on, että ne voidaan siirtää minne tahansa niitä tarvitaan, olipa kyseessä kysynnän kuumat pisteet tai kaukaiset alueet. Tämä joustava käyttöönotto laajentaa kvanttisen laskennan kattavuutta, lievittää laskennallisia pullonkauloja ja vähentää viivettä.

Ne voidaan myös yhdistää yhteen lisättämään kokonaislaskentatehoa, muodostaen “dynaamisen laivaston, joka pystyy tarjoamaan tilauspohjaisia, skaalautuvia kvanttisen laskennan palveluita maailmanlaajuisesti”, totesi tutkimuksen yhteiskirjoittaja Wiem Abderrahim, joka on tällä hetkellä tutkimusavustaja Carthagen yliopistossa Tunisiassa.

Tämä skaalautuva monen HAP:n konstellaatioarkkitehtuuri voi voittaa yksittäiset energiarajoitukset ja parantaa laskennallisia etuja.

Tutkijoiden laskelmien mukaan heidän aurinkovoimainen ratkaisunsa voisi vähentää jäähdytystarvetta 21 % verrattuna maassa oleviin vastaaviin kvanttisen laskennan keskuksiin.

Tutkijat sovelsivat lähestymistapaa kahteen johtavaan kvanttisen laskennan muotoon niiden kypsyyden, vakauden, skaalautuvuuden ja koherenssiajan perusteella. Jäähdytystarpeen väheneminen vaihtelee kubittiarkkitehtuurin mukaan, koska jokainen tyyppi toimii eri kriogeenisessa lämpötila-alueessa.

Yksi lähestymistapa käyttää kubitteja, jotka perustuvat loukkuun asetettuihin ioniin, jäähdytettyinä noin 4 K (noin –269 °C). Tämä sai eniten hyötyä QC-HAP-konseptista. Toinen käyttää suprajohtavia piirejä, jotka toimivat lämpötiloissa 10–20 mK.

Analyysinsä he osoittivat, että nämä kvanttialustaiset HAP:t tukevat 30 % enemmän kubitteja kuin maassa olevat QDC:t säilyttäen alhaisemmat virherateet, erityisesti hyödyntäen kehittyneitä laitteistokapasiteetteja.

Kubittien lisäksi stratosfäärisen kvanttisysteemin saavuttamat energiansäästöt riippuvat myös datakeskuksen arkkitehtuurista, tutkimus totesi.

Vaikka konsepti on voimakas, se on vielä kaukana käytännön toteutuksesta ja vaatii merkittäviä edistysaskeleita kvanttisen laskennan laitteistossa, kuten vankkoja järjestelmiä virheiden tunnistamiseen ja korjaamiseen, erityisesti siirron aikana.

Stratosfäärin ympäristöllä on myös ainutlaatuisia ominaisuuksia, kuten kausivaihtelut aurinkosäteilyn ja sääolosuhteiden suhteen, jotka vaikuttavat kerättyyn aurinkoenergiaan ja siten heidän ehdottamansa alustan energiatehokkuuteen, mikä vaatii tarkkaa harkintaa.

Tutkimuksen tulevaisuuden painopisteen tulisi olla analysoida, miten ympäristötekijät vaikuttavat kvanttisysteemeihin, ja kehittää vankkoja suunnitelmia QC-HAP:n todelliseen käyttöönottoon. 

“Seuraavat askeleemme ovat siirtyä konseptuaalista ja analyyttistä vaiheesta kohti enemmän toteutukseen keskittyviä tutkimuksia.”

– Tutkimuksen yhteiskirjoittaja, Osama Amin

Tulevaisuudessa tutkijat odottavat, että ilmakehän kvanttiratkaisut eivät korvaa vaan toimivat rinnakkain perinteisten maassa sijaitsevien datakeskusten kanssa hybridipilvilaskennan kehyksessä.

Globaali kilpailu kvanttitietokoneiden toteuttamiseksi

Kun tutkijat tutkivat taivaallisia kvanttialustoja, suuryritykset jatkavat kvanttien aikakauteen tarvittavan laitteiston kehittämistä, jota nämä alustat saattavat lopulta tukea. 

IBM (IBM ), on esimerkiksi yksi syvästi kvanttitungissa mukana olevista yrityksistä, toivoen toimittavansa Starlingin, laajamittaisen vikakestävän kvanttisen tietokoneen, ennen vuosikymmenen loppua.

Äskettäin yritys ilmoitti uusien kvanttiprosessoriyksiköiden (QPU) kehittämisestä, joiden odotetaan auttavan heitä saavuttamaan kvanttietu sekä täysin vikakestävän kvanttisen tietokoneen.

120 kubitilla IBM Quantum Nighthawk on sen ensimmäinen uusi prosessori joka pystyy käsittelemään 30 % monimutkaisempia kvanttilaskelmia kuin IBM:n edellinen QPU (R2 Heron). Jokainen näistä kubitteista voi yhdistää lähimpään neljään naapuriin kiitos säädettävien kytkimien. Tämä kehys mahdollistaa tutkijoiden tutkia ongelmia, jotka vaativat 5 000 kaksikubitista porttia, ja IBM toivoo saavansa Nighthawkin tulevaisuuden versioiden tuottavan jopa 10 000 porttia vuoteen 2027 loppuun mennessä.

IBM Loon on toinen pienempi prosessori, jolla on 112 kubittia ja kaikki laitteistoelementit, jotka tarvitaan täyteen vikakestävyyteen korkean kubittien vikahäiriön käsittelemiseksi. kubitteissa. Tämä auttaa tiimiä oppimaan etukäteen Kookaburrasta, joka on toinen konseptiprosessori, ja tulee olemaan ensimmäinen modulaarisesti suunniteltu QPU, joka tallentaa ja käsittelee koodattua tietoa. Sen odotetaan tulevan ensi vuonna.

Lisäksi IBM kertoi, että heidän uusi formaatti kvanttiproessorin valmistuksessa 300 mm (12 tuumaa) waferilla puolittaa jokaisen valmistamiseen tarvittavan ajan samalla kun se kasvattaa sirun fyysistä monimutkaisuutta 10‑kertaisesti.

Vaikka laitteisto kehittyy, päävirran kvanttien aikataulut vaihtelevat dramaattisesti eri alan johtajien välillä.

Kvanttitietokoneet, Intelin (INTC ) entisen toimitusjohtajan, Pat Gelsingerin, mukaan, tulevat päävirtaan paljon nopeammin, noin kahden vuoden sisällä, ja merkitsevät GPU:iden loppua. Samaan aikaan Nvidia (NVDA ), GPU-markkinoiden hallitseva toimija, on sanonut, että kvanttien päävirtaan saaminen kestää kaksi vuosikymmentä.

“Olemme astumassa kohti jännittävintä vuosikymmentä tai kahta teknologian ammattilaisille,” Gelsinger sanoi haastattelussa FT:ssä. Hän kutsui myös kvanttista laskentaa “pyhäksi kolmikummaksi” laskentamaailmassa, perinteisen ja tekoälyn laskennan ohella.

Vaikka Gelsinger uskoo, että “kvanttinen läpimurto” räjäyttää tekoälykuplan, Googlen Sundar Pichai näkee sen seuraavana tekoälybuumina.

Maailman kolmanneksi suurimman yrityksen toimitusjohtaja, jonka markkina-arvo on 3,86 biljoonaa dollaria, totesi äskettäisessä haastattelussa, että kvanttinen laskenta lähestyy nopeasti läpimurron hetkeä, samanlaista kuin tekoäly koki muutama vuosi sitten.

“Sanon, että kvantti on siellä, missä tekoäly oli ehkä viisi vuotta sitten. Joten uskon, että viiden vuoden kuluttua käymme läpi erittäin jännittävän vaiheen kvantissa.”

– Pichai

Ja Google asettaa itsensä aggressiivisesti tähän muutokseen. Pichain mukaan:

“Meillä on maailman huippuluokan kvanttinen laskenta – uskomme, että kvanttitietokoneiden rakentaminen auttaa meitä paremmin simuloimaan ja ymmärtämään luontoa sekä avaamaan monia hyötyjä yhteiskunnalle.”

Vahvistaen tätä suuntausta, juuri viime kuussa, Google Quantum AI:n tutkijat raportoivat toteuttaneensa pintakoodin² käyttäen kolmea erillistä dynaamista piiriä. Tämä avaa uusia mahdollisuuksia pintakoodin (Quantum Error Correction, QEC) todellisessa sovelluksessa ja voi myös auttaa kehittämään luotettavampia kvanttisia tietokoneita.

QEC on tapa saada nämä tietokoneet toimimaan luotettavasti. Se on myös olennaista vikakestävien kvanttisten tietokoneiden rakentamisessa, mutta “QEC:n toteuttaminen on merkittävä haaste, koska virheiden havaitseminen ja korjauspiirit ovat monimutkaisia ja vaativat äärimmäisen tarkkoja operaatioita,” sanoi yhteiskirjoittaja Matt McEwen.

Kyseinen pintakoodi toimii järjestämällä kubitit 2D-ruudukkoon ja tarkistamalla toistuvasti virheitä.

Aikaisemmin McEwen työskenteli teoreettisen ehdotuksen parissa, jossa osoitettiin, että on useita tapoja toteuttaa se, erityisesti osoittaen kolmen erillisen dynaamisen pintakoodin toteutettavuutta: heks, iSWAP ja kävelypiirit.

Rakentaen tätä tiimi jatkoi todistamaan, että ne toimivat kokeissa todellisissa olosuhteissa.

Testauksessa he havaitsivat, että iSWAP-piirit paransivat virheiden torjuntaa 1,56‑kertaisesti ja kävelypiiri 1,69‑kertaisesti, kun taas heks-piiri paransi sitä 2,15‑kertaisesti.

“Suurin opetus työstä on vahvistaa, että nämä dynaamiset piirit toimivat todellisuudessa.”

– McEwen

Kubitin vakauden läpimurrot kiihtyvät myös. Princetonin insinöörit pystyivät äskettäin pidentämään kubittien elinikää viimeisimmässä tutkimuksessaan, joka sai osittain rahoitusta Google Quantum AI:lta.

Suuri askel kohti käyttökelpoisten kvanttitietokoneiden kehittämistä, insinöörit loivat suprajohtavan kubitin, joka pysyi vakaana yli 1 millisekunnin ajan, mikä on kolme kertaa pidempään kuin vahvimmat olemassa olevat versiot.

“Todellinen haaste, se asia, joka estää meitä saamasta käyttökelpoisia kvanttitietokoneita tänään, on se, että kubitti rakennetaan ja tieto ei kestä kovin kauan,” sanoi yhteiskirjoittaja Andrew Houck, Princetonin insinööriopettaja.

Vahvistaakseen kubittien koherenssiparannuksen tutkijat rakensivat toimivan kvanttipiirin, joka käyttää uutta arkkitehtuuria, samankaltaista kuin Google ja IBM:n kehittämät järjestelmät.

Käytetty transmon-kubit perustuu suprajohtaviin piireihin, jotka toimivat äärimmäisen kylmissä lämpötiloissa ja tarjoavat vahvan suojan ympäristön melulta. Ne toimivat myös hyvin nykypäivän valmistusprosesseissa. Näiden kubittien koherenssiajan kasvattaminen on kuitenkin erittäin vaikeaa.

Princetonin tiimi suunnitteli kubitin uudelleen käyttäen poikkeuksellisen kestävää tantalia energiahäviöiden estämiseksi sekä laajalti saatavilla olevaa korkealaatuista piitä alustoina. Tämä tantali-piitä-siru on paitsi helpompi massatuottaa myös parempi kuin nykyiset suunnitelmat.

Näiden kahden yhdistäminen, yhdessä valmistustekniikoiden tarkentamisen kanssa, johti tiimin saavuttamaan yhden merkittävimmistä parannuksista transmonin historiassa. Hypoteettinen 1 000‑kubittinen tietokone voisi toimia suunnilleen miljardin kertaa paremmin, jos alan nykyinen paras suunnitelma vaihdettaisiin Princetonin suunnitelmaan sen parannusten vuoksi, jotka skaalautuvat eksponentiaalisesti järjestelmän koon kanssa, sanoi Houck.

Théau Peronnin, Alice & Bob -yrityksen toimitusjohtaja, joka kehittää vikakestävää kvanttisen laskennan järjestelmää Nvidia:n kanssa, totesi äskettäin, että vaikka kvanttiteknologia ei ole vielä tarpeeksi kehittynyttä uhkaamaan nykyisiä kryptografisia järjestelmiä, se voisi tulevaisuudessa olla tarpeeksi voimakas murtamaan ne muutaman vuoden kuluttua 2030 jälkeen.

Tämä aiheuttaa uhkan ei vain Bitcoinille ja kryptovaluutoille, vaan myös kaikelle pankkisalaukselle. Hän kertoi Fortune-lehdelle haastattelussa:

“Kvanttilaskennan lupaus on eksponentiaalinen nopeuskasvu, mutta jos tarkastelet eksponentiaalista käyrää, se on täysin tasainen – ja sitten se on pystysuora seinä. Olemme siis vasta alussa käänteiskohdassa. Nyt se ei ole voimakkaampi kuin älypuhelimesi. Mutta anna sille pari vuotta, ja se on voimakkaampi kuin suurin koskaan rakennettu supertietokone.”

Yritykset kuitenkin työskentelevät ratkaisujen parissa, kun taas tutkijat laajentavat kvanttiverkkojen kattavuutta. Viime kuussa Chicagon yliopiston Pritzker School of Molecular Engineeringin (UChicago PME) tutkijatlisäsivät kvanttiyhteyksien kantamaa muutamasta kilometristä 2 000 km.³.

“Ensimmäistä kertaa kv