Skip to main content

Signals

Kvantno računarstvo

Sljedeća generacija računarske tehnologije

Pojava kvantnog računarstva predstavlja sljedeću veliku tehnološku transformaciju, koja pokreće sveobuhvatne ekonomske i društvene promjene. Evo kratkog pregleda šta se očekuje od ove tehnologije.

Sljedeća generacija računarske tehnologije

Kvantno računarstvo (QC) je sljedeća generacija računarske tehnologije koja koristi kvantnu fiziku.

Dok se klasično računarstvo oslanja na bit, svoju osnovnu jedinicu, kvantno računarstvo se oslanja na kubit - ili bilo koju vrijednost između kubita, ili bilo koju njihovu kombinaciju.

Dok bit postoji prema binarnoj logici - on je ili 0 ili 1, uključen ili isključen - kubit može postojati i u stanju 0 i u stanju 1 istovremeno, u fenomenu poznatom kao "superpozicija".

"Prepletenost" je još jedan fundamentalni fenomen koji daje QC-u njegovu moć. Kada su dva ili više kubita isprepletena, oni djeluju kao jedinstven sistem, slično kao zupčanici isprepleteni u mjenjaču, tako da promjena jednog kubita mijenja sve ostale s kojima je isprepleten. To znači da jedna operacija može istovremeno uticati na stanja mnogih kubita.

Rezultat je zapanjujuće moćnija nova vrsta računarstva.

Do 2030. godine bi širom svijeta moglo biti između 2.000 i 5.000 kvantnih računara. U 2018. godini ih je bilo manje od desetak.

Računari koji su eksponencijalno moćniji

1 Kvantni računar može riješiti problem koji bi zahtijevao klaster od 512 GPU-a

QC ima potencijal da riješi probleme koji su eksponencijalno složeniji od onih koje klasično računarstvo može riješiti.

Kvantni računar od 1.000 kubita (čiji se dolazak predviđa za 2-3 godine) mogao bi istovremeno raditi na 10³⁰¹ (to je jedinica iza koje slijedi 301 nula) različitih takozvanih "stanja informacije".

„Stanje“ u ovom kontekstu znači jedno moguće rješenje za dati problem. Većina mogućih rješenja bit će pogrešna, tako da što više stanja možemo istražiti, to su nam veće šanse da pronađemo najbolje rješenje.

Dvije arhitekture, dva vremenska okvira

Kvantni kalori su specijalizirani za optimizacijske zadatke. Aviokompanija bi mogla koristiti takav računar za pripremu optimalnog rasporeda ruta aviona, onog koji minimizira potrošnju goriva, a istovremeno osigurava da se ispune svi rasporedi putnika.

Počeće da ostvaruju komercijalni uticaj za 2-5 godina

 

Kvantni računari zasnovani na gejtovima su univerzalni, što znači da će moći izračunati širok spektar problema. U budućnosti će farmaceutska kompanija koristiti jedan od njih za simuliranje novih ljekovitih spojeva, istražujući efekte miliona njih bez potrebe za njihovom sintezom i testiranjem.

Počeće da ostvaruju komercijalni uticaj za 7-10 godina

Kvantne tehnologije

Superprovodljivi kubiti

Jedna od vodećih tehnoloških platformi za razvoj kvantnih računara. IBM, Google, D-Wave i drugi ga primjenjuju. Superprovodni sistemi obično rade na vrlo niskim temperaturama, blizu apsolutne nule, kako bi stvorili odgovarajuće uslove za kvantno računanje.

Kvantne mreže

Kvantne mreže omogućavaju prenos kvantno isprepletenih informacija preko komunikacijskih kanala. Oni su jedna od tehnologija koje stoje iza QKD-a i omogućit će poboljšanu sigurnost i povećanu propusnost.

Kvantna distribucija ključeva (QKD)

Sigurna metoda komunikacije koja implementira kriptografski protokol koji uključuje komponente kvantne mehanike. Omogućava dvjema stranama da generiraju zajednički nasumični tajni ključ poznat samo njima, ključ koji se zatim može koristiti za šifriranje i dešifriranje poruka. Obećava da će biti neranjiv na špijuniranje ili napade "čovjek u sredini".

Kvantni senzor

Uređaj koji radi detekcijom varijacija u mikrogravitaciji koristeći principe kvantne fizike, koja se zasniva na manipulisanju prirodom na submolekularnom nivou. Kvantno očitavanje koristi svojstva kvantne mehanike kao što su kvantna spletenost, kvantna interferencija i kvantno stiskanje stanja kako bi se prevazišla trenutna ograničenja u tehnologiji senzora i izbjegao princip neodređenosti.

Kvantni jonski kubiti

Kvantne jonske zamke su još jedna tehnološka platforma koja se koristi za razvoj kvantnih računara. To uključuje korištenje elektromagnetske sile za zadržavanje iona u slobodnom prostoru. lonQ je vodeći zagovornik ovog pristupa.

Arhitekture žarenja

Arhitektura kaljenja je jednostavnija, zasnovana na ideji pronalaženja stanja najniže energije u kvantnom sistemu. Ovo stanje najniže energije odgovara optimalnom rješenju optimizacijskog problema.

Arhitekture kapija

Arhitekture kapija koriste kvantni ekvivalent logičkih kapija koje služe kao gradivni blokovi centralnih procesorskih jedinica baziranih na siliciju. S obzirom na tu činjenicu, kvantni računar zasnovan na gejtu može, barem u teoriji, izračunati isti skup problema kao i tradicionalni računar.

Fotonika

Fotonski sistemi se oslanjaju na svjetlosne impulse i polarizaciju svjetlosti kako bi stvorili svoje kubite. Za razliku od većine drugih kubitnih tehnologija, one imaju prednost rada na sobnoj temperaturi, ali obično rade mnogo sporije od supravodljivih kubita. Xanadu je vodeća kompanija koja primjenjuje fotonski pristup kontroli kvaliteta.

Postkvantna kriptografija (PQC)

Postkvantna kriptografija je zajednički naziv za nove pristupe šifriranju javnim ključem koji su otporni na kvantne računare. Proces odabira PQC algoritama vodi Nacionalni institut za standarde i tehnologiju (NIST). Većina velikih organizacija slijedi primjer NIST-a.

Kvantno računarstvo u oblaku

Hardver

Obično kompanije kojima je potrebna kontrola kvaliteta ne posjeduju vlastite računare. Ideja o kvantnim računarima na lokaciji trenutno nije praktična iz nekoliko ključnih razloga:

  • Kvantni uređaji su skupi
  • Njihovo funkcionisanje je složeno, a samim tim i skupo
  • S obzirom na to koliko često kvantni uređaji dobijaju nadogradnje od svojih proizvođača, pojedinačni uređaj bi brzo zastario.

Umjesto toga, krajnji korisnici kvantnih računara im pristupaju putem cloud servisa.

Trenutno postoje dva pristupa pružanju QC usluga u oblaku:

Prednosti i mane dva pristupa

Vlasnički oblak

U ovom pristupu, pružatelji usluga nude pristup vlastitim QC uređajima putem vlastitih cloud usluga. IBM je najvažnija kompanija koja slijedi ovaj pristup, nudeći kontrolu kvaliteta putem svoje IBM Q mreže.

Snage

Čvršća integracija između postojeće cloud platforme provajdera i kvantne platforme. Smanjena latencija mreže između klasične cloud platforme i kvantne platforme, što će biti prednost za aplikacije sa niskom latencijom (kao što je otkrivanje prevara).

Slabosti

Ograničen izbor opcija za pozadinsko okruženje kvantnog računarstva

Potencijal za restriktivnije komercijalne modele

Opasnost od vezanosti za dobavljača

Javni oblak

U ovom pristupu, vodeće usluge u oblaku pružaju pristup QC uređajima trećih strana. Amazon Braket, na primjer, nudi pristup D-Wave, Rigetti, Oxford Quantum Circuits, IonQ i Xanadu, a još više ih je u razvoju. Microsoft Azure Quantum nudi pristup Quantinuum, IonQ, Quantum Circuits Inc, rigetti, PASQAL, 1QBit, Microsoft QIO i Toshiba SQBM+.

Snage

Koristi postojeće usluge pristupa i naplate provajdera cloud usluga i slične dijeljene usluge

Pruža jednostavan pristup kvantnim računarima, obično uz model „plaćanja po korištenju“

Pruža pristup širokom spektru kvantnih računara, omogućavajući poređenje između platformi i identifikaciju odgovarajućeg uređaja za dati problem.

Slabosti

Tendencija ka većoj latenciji u pristupu kvantnom uređaju zbog mrežnih kružnih putovanja i čekanja u redu

To, zauzvrat, stvara probleme u aplikacijama kao što su otkrivanje prevara i visokofrekventno trgovanje koje imaju zahtjeve za rad u realnom vremenu ili nisku latenciju, do te mjere da takve aplikacije možda nisu praktične.

 

 

U budućnosti, pružatelji usluga u oblaku mogu hostirati kvantne uređaje u svojim podatkovnim centrima uz tradicionalni CPU i GPU hardver, čime će se minimizirati efekti latencije i omogućiti nova klasa hibridnih kvantno-klasičnih aplikacija visokog protoka i niske latencije, kao što su otkrivanje prevara i visokofrekventno trgovanje.

Softver/API-ji

API-ji i pridruženi SDK-ovi su obično otvorenog koda i, uz nekoliko izuzetaka, napisani u programskom jeziku Python.

Svaki vodeći QC dobavljač obično pruža vlastite API-je za podršku svojim uređajima ili uslugama.

Neki dobavljači, poput IonQ-a, odlučili su podržati API-je drugih dobavljača umjesto da razvijaju vlastite vlasničke API-je. IonQ, na primjer, podržava Qiskit od IBM-a i Cirq-a. Ovaj pristup omogućava, na primjer, da se kvantni algoritmi napisani u Qiskitu za IBM kvantnu mašinu lakše prenesu na IonQ uređaj.

U budućnosti će postojati mali broj standardiziranih API-ja, koje će pružati ili nalagati veliki tehnološki/cloud provajderi (IBM/Amazon/Microsoft), a na koje će se nadovezati dobavljači hardvera za kvantno računarstvo.

Primjene u finansijskim uslugama

Dok teže liderstvu u kontroli kvaliteta, finansijske institucije će vjerovatno otkriti da će razvoj i zadržavanje vještina i talenata postati ključno polje za borbu. Lideri u primjeni kvantnih tehnologija će vidjeti značajan rast sigurnosti, operativne efikasnosti i efektivnosti proizvoda, dok će oni koji zaostaju vidjeti kako ovi aspekti njihovog poslovanja opadaju.

Iako ne očekujemo da će kvantni računari biti dovoljno moćni da dešifriraju današnje kriptosisteme zasnovane na PKI-ju najmanje 10-12 godina, predstoji značajan posao kako bi se oni pripremili za suprotstavljanje kvantnim prijetnjama.

Katalitički efekat u drugim sektorima

QC ima potencijalno transformativne primjene u nizu drugih područja.

Otkriće lijekova

Kvantno računarstvo će poboljšati proces otkrivanja lijekova ubrzavanjem identifikacije i simulacije molekula. To će premjestiti eksperimente iz mokrih laboratorija na računare, a istraživači će imati pristup hemijskim kombinacijama za čije bi osmišljavanje konvencionalnim računarima bile potrebne decenije.

Sajber sigurnost

Kvantni računari zaista ugrožavaju sigurnosnu osnovu današnjih mreža - RSA kriptografiju javnog ključa. Ali kvantna tehnologija će također omogućiti nove i još sigurnije oblike komunikacije.

Logistika

QC će transformirati naše lance snabdijevanja rukovanjem neviđeno složenim masama podataka vezanih za proizvodne kapacitete, geografiju i infrastrukturu, vremenske obrasce, rute, kapacitet željezničkih i brodskih puteva i još mnogo toga.

Automobilska industrija

QC će se više usmjeriti ka održivom ekosistemu autonomnih vozila. Kvantno pokretana umjetna inteligencija i strojno učenje ubrzat će proces učenja potrebnih algoritama. Klasifikacija slika i zadržavanje 3D objekata također će imati koristi od kontrole kvaliteta.

Simulacija

QC će pružiti nove mogućnosti u modeliranju stvarnosti. Bolje ćemo predviđati ekstremne vremenske događaje, mapirati klimatske promjene, predvidjeti kako će urbani razvoj utjecati na emisije, prognozirati rast stanovništva - i još mnogo toga.

Kako QC bude dobijao na popularnosti, prirodno ćemo vidjeti slučajeve upotrebe u brojnim sektorima.

NOVA TEHNOLOGIJA

Igrači u QC-u upravo sada

Različiti proizvođači hardvera kreiraju vlastite kvantne računare, koristeći niz različitih osnovnih fizičkih fenomena i primjenjujući i univerzalne pristupe zasnovane na gejtovima i pristup kvantnog kaljenja. To uključuje:

Pored dobavljača hardvera, od kojih svaki obično nudi vlastite softverske biblioteke (npr. IBM qiskit, D-Wave Ocean, Google Cirq), postoji i niz dobavljača čistog kvantnog softvera. Među njima:

Rast tržišta QC-a

2016. godine

89 miliona dolara

globalno tržište kvantnog računarstva

2025.

949 miliona dolara

globalno tržište kvantnog računarstva (projekcija)

30% složene godišnje stope rasta (CAGR) od 2017. do 2025.

Veliki potencijal pred nama

Kvantni računari će biti prikladni za određene zadatke. U bliskoj budućnosti, kvantni računari će se istaknuti u rješavanju složenih numeričkih problema i koegzistirat će s postojećim klasičnim računarima kako bi omogućili kvantno-klasične hibridne sisteme. Hibridnost je važna, jer dok klasično računarstvo daje jednostavne rezultate, kvantni računari daju rezultate u distribucijama vjerovatnoće, generirajući skupove odgovora koji zatim mogu zahtijevati analizu pomoću klasičnih računara. U daljnjoj budućnosti, QC ima potencijal da bude transformativan. To će donijeti ogromna poboljšanja u određenim sferama, dajući nam sredstva za stvaranje revolucionarnih novih lijekova, optimizaciju rada naših finansijskih tržišta, osiguranje naših mreža, razumijevanje složenih sistema, od Zemljine ekologije do globalnih mreža ponude i potražnje – i još mnogo toga. Što se tiče njegovih maksimalnih efekata, horizont je otvoren. Značajne promjene su na pomolu na društvenom i ekonomskom nivou: Baš kao i klasično računarstvo, QC će biti sveobuhvatno transformativan u smislu načina na koji živimo. Ali priča tek treba da se napiše, a narednih nekoliko decenija će biti svjedoci onoga što naši najbolji umovi mogu učiniti s ovim moćnim novim alatom.