Κβαντική Πληροφορική με φως: Η αρχιτεκτονική της PsiQuantum για συστήματα 1 εκατ. qubits

Σύνοψη

• Η PsiQuantum εγκαταλείπει τα ηλεκτρόνια και τα υπεραγώγιμα κυκλώματα, επενδύοντας σε φωτόνια (σωματίδια φωτός) για τη δημιουργία του πρώτου fault-tolerant κβαντικού υπολογιστή.
• Η εταιρεία ανακοίνωσε την εγκατάσταση του κεντρικού της συστήματος στο Illinois Quantum and Microelectronics Park (IQMP) του Σικάγο, εξασφαλίζοντας 200 εκατ. δολάρια σε κρατικά κίνητρα.
• Η αρχιτεκτονική περιλαμβάνει 100 καμπίνες από ανοξείδωτο ατσάλι, ύψους σχεδόν 2 μέτρων, ψυχόμενες με υγρό ήλιο κοντά στο απόλυτο μηδέν.
• Οι ΗΠΑ και η Αυστραλία οδηγούν την κούρσα, αφήνοντας την Ευρώπη κατακερματισμένη και εκτεθειμένη σε μελλοντικούς κινδύνους ασφάλειας δεδομένων.
• Τα φωτονικά chips σχεδιάζονται από την εταιρεία και παράγονται σε υπάρχουσες βιομηχανικές γραμμές παραγωγής ημιαγωγών (GlobalFoundries), λύνοντας το πρόβλημα της κλιμάκωσης.

Η κβαντική πληροφορική βρίσκεται προ των πυλών της πρώτης πραγματικής, βιομηχανικής της κλιμάκωσης. Η αμερικανική startup PsiQuantum, η οποία ιδρύθηκε το 2016, δημοσιοποίησε τα τελικά της σχέδια για την κατασκευή ενός κβαντικού υπολογιστή ο οποίος δεν αποτελεί απλώς ένα πρωτότυπο εργαστηρίου, αλλά μια fault-tolerant αρχιτεκτονική μεγέθους data center. Με χρηματοδότηση που ξεπερνά το 1 δισεκατομμύριο δολάρια και την πρόσφατη συμφωνία ύψους 125 εκατομμυρίων δολαρίων με την DARPA, η εταιρεία σκοπεύει να παραδώσει ένα σύστημα ικανό να επιλύσει υπολογιστικά προβλήματα που σήμερα απαιτούν χιλιετίες.

Το σημαντικότερο διαφοροποιό στοιχείο της εταιρείας είναι η πλήρης απόρριψη των υπεραγώγιμων qubits που χρησιμοποιούν κολοσσοί όπως η Google και η IBM. Η PsiQuantum έχει στοιχηματίσει τα πάντα στο φως, βασίζοντας την τεχνολογία της στη φωτονική πυριτίου (silicon photonics).

Πώς λειτουργεί ο κβαντικός υπολογιστής φωτός της PsiQuantum;

Η αρχιτεκτονική της PsiQuantum βασίζεται στη φωτονική τεχνολογία πυριτίου, χρησιμοποιώντας σωματίδια φωτός (φωτόνια) ως qubits. Σε αντίθεση με τα υπεραγώγιμα κυκλώματα, τα φωτόνια δεν επηρεάζονται από τη θερμότητα ή τις ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές. Τα chips κατασκευάζονται σε υπάρχουσες μονάδες ημιαγωγών της GlobalFoundries, επιτρέποντας τη μαζική παραγωγή και την απρόσκοπτη κλιμάκωση του συστήματος προς τον στόχο του 1 εκατομμυρίου qubits.

Η θεωρητική βάση των κβαντικών υπολογιστών τέθηκε το 1981 από τον φυσικό Richard Feynman. Σήμερα, η PsiQuantum υλοποιεί αυτό το όραμα κατευθύνοντας χιλιάδες φωτόνια μέσα από έναν δαιδαλώδη λαβύρινθο κυκλωμάτων σε κάθε chip. Επειδή τα φωτόνια δεν αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον όπως τα ηλεκτρόνια, ο ρυθμός αποσυνοχής διατηρείται χαμηλός. Αυτή η φυσική ιδιότητα επιτρέπει στην PsiQuantum να τοποθετεί τα ηλεκτρονικά συστήματα ελέγχου εξαιρετικά κοντά στα qubits, μειώνοντας το μέγεθος, το κόστος και την πολυπλοκότητα των καλωδιώσεων.

Το mega-project στο Σικάγο και η αρχιτεκτονική της εγκατάστασης

Η κεντρική εγκατάσταση δεν θυμίζει τα αποστειρωμένα εργαστήρια των πανεπιστημίων, αλλά οπτικά περιγράφεται ως μια μίξη παραδοσιακού data center και «εργοστασίου παραγωγής παγωτού», λόγω των τεράστιων βιομηχανικών σωληνώσεων ψύξης. Ο χώρος θα στεγάσει περίπου 100 καμπίνες από ανοξείδωτο ατσάλι, ύψους 1,8 μέτρων, οι οποίες θα τροφοδοτούνται συνεχώς με υγρό ήλιο.

Για να στεγάσει αυτή τη γιγαντιαία δομή, η PsiQuantum επέλεξε το Illinois Quantum and Microelectronics Park (IQMP) στο Σικάγο (πρώην εγκαταστάσεις της U.S. Steel). Με την ισχυρή υποστήριξη του Κυβερνήτη JB Pritzker, η πολιτεία του Ιλινόις παρείχε ένα πακέτο κινήτρων αξίας 200 εκατομμυρίων δολαρίων (συμπεριλαμβανομένου του MICRO Act). Το οικόπεδο 128 στρεμμάτων διαθέτει άμεση πρόσβαση στη λίμνη Μίσιγκαν (Lake Michigan) και στον ποταμό Calumet, καλύπτοντας τις τεράστιες ανάγκες υδάτινης ψύξης και ηλεκτρικής ενέργειας που απαιτεί το συγκρότημα. Ταυτόχρονα, ένα πανομοιότυπο εγχείρημα ετοιμάζεται ήδη στο Moreton Bay της Αυστραλίας.

Πρακτικές εφαρμογές: Από τη Φαρμακευτική στην Κρυπτογραφία

Ο απώτερος σκοπός αυτού του συστήματος δεν είναι η ακαδημαϊκή έρευνα, αλλά η βιομηχανική εφαρμογή. Ένας κβαντικός υπολογιστής με δυνατότητα διόρθωσης σφαλμάτων (fault-tolerant) μπορεί να προσομοιώσει πολύπλοκα μόρια σε ακριβές κβαντικό επίπεδο. Για παράδειγμα, η φαρμακοβιομηχανία ενδιαφέρεται άμεσα για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς των ενζύμων κυτοχρώματος P450, τα οποία είναι υπεύθυνα για τη διάσπαση των φαρμάκων στον ανθρώπινο οργανισμό. Η ακριβής εκτίμηση της αλληλεπίδρασης ενός νέου μορίου με αυτά τα ένζυμα απαιτεί πάνω από 10 χρόνια δοκιμών με τις σημερινές συμβατικές μεθόδους. Ο κβαντικός υπολογιστής της PsiQuantum υπόσχεται να μειώσει αυτόν τον χρόνο δραματικά, επιταχύνοντας τον σχεδιασμό νέων φαρμάκων.

Στον τομέα της κυβερνοασφάλειας, ωστόσο, οι επιπτώσεις είναι τρομακτικές. Η ικανότητα γρήγορης παραγοντοποίησης μεγάλων πρώτων αριθμών καθιστά τα σημερινά πρωτόκολλα κρυπτογράφησης, συμπεριλαμβανομένων των SSL πιστοποιητικών, της κρυπτογραφίας δημοσίου κλειδιού (public-key) και των ψηφιακών υπογραφών, παρωχημένα. Οποιαδήποτε ψηφιακή πλατφόρμα, από ένα απλό e-commerce κατάστημα μέχρι τα τραπεζικά δίκτυα, θα βρεθεί εκτεθειμένη στον κίνδυνο υποκλοπής δεδομένων.