Квантові комп’ютери сприяють впровадженню 6G

0
701 views
6G

Зростання кількості користувачів інформаційних мереж часто призводить до їх перевантаження, що спричиняє затримки і перебої в обслуговуванні користувачів. У той же час, зростаюча складність мереж і їхніх додатків ускладнює контроль і управління мережею.

VTT, одна з провідних європейських дослідницьких установ, розпочала проект, щоб дослідити, як квантові обчислення можуть бути використані для вирішення зростаючих мережевих проблем.

Комбінаторні задачі

Оскільки все більше людей одночасно використовують мережеві ресурси, наприклад, під час великих заходів, бездротові мережі стикаються з перевантаженням і зниженням продуктивності. Проблема навряд чи полегшиться в майбутньому, оскільки епоха 6G ще більше збільшить кількість складних додатків і користувачів.

Ці виклики можна визначити як комбінаторні задачі, що стосуються визначення порядку обслуговування різних користувачів і маршрутів, якими слід передавати трафік, щоб гарантувати, що кожен отримає обіцяну якість обслуговування.

“Багато хто знайомий з так званою проблемою комівояжера, яка стосується порядку, в якому комівояжер повинен відвідувати різні міста, щоб його маршрут був якомога коротшим. Складність проблеми зростає в геометричній прогресії, оскільки з’являється все більше варіантів. Аналогічно, з ускладненням телекомунікаційних мереж і збільшенням кількості додатків, що їх використовують, зростає і кількість комбінацій параметрів, які необхідно оптимізувати. Це робить все більш складним рішення про те, в якому порядку і з якими ресурсами обслуговувати різних користувачів”, – говорить Карі Сеппенен, старший науковий співробітник, який очолює проект в VTT.

Досі комбінаторні задачі здебільшого вирішувалися евристичними методами, тобто шляхом спрощення проблеми. Однак ці методи, як правило, дають приблизні відповіді, які в певних ситуаціях можуть призвести до погіршення продуктивності. З іншого боку, методи оптимізації, засновані на статистиці та даних, споживають значну кількість енергії і можуть не підходити для динамічних ситуацій, коли необхідна швидка реакція на зміни, особливо коли немає зв’язку з сервером.

Квантовий комп'ютер VTT на 20 кубітів розташований у дослідницькому центрі VTT в Еспоо, Фінляндія.
Квантовий комп’ютер VTT на 20 кубітів розташований у дослідницькому центрі VTT в Еспоо, Фінляндія.

Гібридні алгоритми

У дослідницькому проекті VTT комбінаторні задачі вирішуються за допомогою гібридних алгоритмів, які поєднують квантові та класичні обчислення. Гібридні алгоритми дозволяють оптимізувати сильні сторони обох обчислювальних підходів, що в кінцевому підсумку призводить до збільшення пропускної здатності мережі. Вимогливі додатки можуть отримувати необхідну якість послуг навіть у перевантаженій мережі, заощаджуючи при цьому енергію.

“На цьому етапі квантові комп’ютери вже здатні швидко генерувати нові і більш точні рішення, які потім можуть бути оцінені за допомогою класичних комп’ютерів. Можна стверджувати і протилежне: класичну евристику можна покращити за допомогою квантових алгоритмів. У гібридному підході алгоритми та результати ітеративно обробляються багато разів з обох сторін, поки не буде досягнуто оптимального результату”, – каже Сеппенен.

Досягти конкретного результату в найближчому майбутньому

Дослідницький проект VTT залучає експертів з телекомунікацій, криптографії та квантових технологій і принесе багато нових знань у розробку квантових алгоритмів.

“Дуже важливо, що фінські компанії одними з перших використовують потенціал квантових обчислень, оскільки ми вже є піонерами в розробці квантових технологій і мереж майбутнього. Це унікальний проект, який може відкрити абсолютно нові можливості для застосування квантових технологій. Мета полягає в тому, щоб дослідження вже незабаром принесли користь”, – зазначає Сеппенен.

Окрім VTT, у проекті беруть участь кілька фінських компаній, зокрема Nokia Bell Labs, Cumucore та Unitary Zero Space. Вони принесли з собою проблеми, на які буде спрямований проект.

“Дуже мало технологій мають такий глобальний вплив, як бездротовий зв’язок і квантові технології. Фінляндія перебуває в унікальному становищі, маючи такий міцний фундамент в обох цих галузях. Тому перетин цих сфер, що вивчаються в рамках проекту, дозрів для проривних інновацій”, – каже Топіас Уотіла, засновник і керівник Qubit Zero в Unitary Zero Space Oy.

“Квантові обчислення можуть допомогти вирішити комбінаторні задачі, поширені в комунікаційних мережах, включаючи розподіл ресурсів, маршрутизацію і планування, а також мережеве планування. Nokia, яка наразі очолює європейські флагманські проекти 6G – Hexa-X та Hexa-X-II – пропонує свій телекомунікаційний досвід для подальшого розвитку 6G за допомогою гібридних класичних та квантових обчислень”, – говорить Картік Упадхія, старший науковий співробітник Nokia Bell Labs.

Суперкомп’ютери та ШІ

Дослідження також спрямоване на використання суперкомп’ютера LUMI. Мета полягає в тому, щоб об’єднати обчислення, виконані на квантовому комп’ютері і суперкомп’ютері VTT, з мережами 5G і 6G VTT і продемонструвати їхню здатність вирішувати конкретні практичні завдання. Дослідження також фокусується на проблемах решіток і квантово-безпечних методах шифрування.

“Квантові обчислення разом зі штучним інтелектом – це технології, які виведуть мобільні мережі на новий рівень швидкості, безпеки та автоматизації. Cumucore пишається тим, що бере участь у цьому проекті, використовуючи свій досвід у сфері 6G для дослідження потенціалу квантових обчислень для забезпечення орієнтованого на людину, але надзахищеного зв’язку”, – говорить Хосе Коста-Рекена, генеральний директор Cumucore Oy.

Проект під назвою “Комбінаторна оптимізація з гібридними квантово-класичними алгоритмами” стартував у липні 2023 року і триватиме до червня 2025 року. Його фінансування здійснюється в рамках кампанії Business Finland’s Quantum Computing Campaign, яка має на меті створити у Фінляндії екосистему для вирішення бізнес-завдань за допомогою квантових обчислень.

“На даному етапі ми все ще проводимо попередні дослідження та експерименти. Ми також плануємо використовувати метод квантової прогулянки. Попередні результати вже дуже багатообіцяючі”, – каже Карі Сеппенен з VTT.