Skip to main content

Сигнали

Квантови изчисления

Следващото поколение компютърни технологии

Навлизането на квантовите изчисления представлява следващата голяма технологична трансформация, която ще доведе до всеобхватни икономически и социални промени. Предлагаме ви кратък преглед на очакваните резултати от технологията.

Следващото поколение компютърни технологии

Квантовите изчисления (КИ) са следващото поколение изчислителни технологии, които използват квантовата физика.

Докато класическите компютри разчитат на бита, своята основна единица, квантовите компютри разчитат на кюбита - или на всяка стойност между кюбитите, или на всяка комбинация от тях.

Докато един бит съществува в съответствие с двоичната логика - или 0, или 1, изключен, или включен - кюбитът може да съществува едновременно в състояние 0 и 1, в явление, известно като "суперпозиция"".

"Заплитането" е друго фундаментално явление, което дава на КК неговата сила. Когато два или повече кюбита са заплетени, те действат като единна система, подобно на зъбни колела, вплетени в скоростна кутия, така че промяната на един кюбит променя всички останали, с които е заплетен. Това означава, че една операция може да повлияе едновременно на състоянията на много кюбити.

Резултатът е поразително по-мощен нов вид компютри.

До 2030 г. в света може да има между 2000 и 5000 квантови компютри. През 2018 г. те бяха по-малко от дузина.

Експоненциално по-мощни компютри

1 квантов компютър може да реши проблем, за който е необходим клъстер от 512 графични процесора

QC има потенциала да решава проблеми, които са експоненциално по-сложни от тези, които класическите компютри могат да решат.

Квантовият компютър с 1000 кюбита (който се очаква да се появи след 2-3 години) ще може да работиедновременно с 10³⁰¹(това е 1, последвана от 301 нули) различни така наречени "състояния на информацията".

В този контекст "състояние" означава едно възможно решение на даден проблем. Повечето възможни решения ще бъдат погрешни, така че колкото повече състояния можем да изследваме, толкова по-големи са шансовете ни да намерим най-доброто решение.

Две архитектури, две времеви рамки

Квантовите отгряващи устройства са специализирани за оптимизационни задачи. Една авиокомпания може да използва такъв компютър, за да изготви оптимален график на маршрутите на самолетите, при който се намалява до минимум използването на гориво, като същевременно се гарантира, че всички пътници са изпълнени.

Те ще започнат да оказват търговско въздействие след 2-5 години

 

Квантовите компютри, базирани на портали, са универсални, което означава, че ще могат да изчисляват широк спектър от проблеми. В бъдеще една фармацевтична компания ще използва такъв компютър за симулиране на нови лекарствени съединения, като изследва въздействието на милиони от тях, без да се налага да ги синтезира и тества.

Те ще започнат да оказват търговско въздействие след 7-10 години

Квантови технологии

Свръхпроводящи кюбити

Една от водещите технологични платформи за разработване на квантови компютри. IBM, Google, D- Wave и други го използват в практиката си. Свръхпроводящите системи обикновено работят при много ниски температури, близки до абсолютната нула, за да се създадат подходящи условия за квантово изчисление.

Квантови мрежи

Квантовите мрежи позволяват предаването на квантова заплетена информация по комуникационни канали. Те са една от базовите технологии, които стоят зад QKD, и ще позволят както подобряване на сигурността, така и увеличаване на пропускателната способност.

Квантово разпределение на ключове (QKD)

Метод за сигурна комуникация, който реализира криптографски протокол, включващ компоненти на квантовата механика. Той позволява на две страни да създадат общ секретен ключ, известен само на тях, който може да се използва за криптиране и декриптиране на съобщения. Тя обещава да бъде неуязвима за шпиониране или "man-in- the-middle атаки".

Квантов сензор

Устройство, което работи, като открива промените в микрогравитацията, използвайки принципите на квантовата физика, която се основава на манипулиране на природата на подмолекулярно ниво. Квантовата сензорика използва свойствата на квантовата механика, като квантово заплитане, квантова интерференция и квантово изтласкване на състоянията, за да надмине настоящите ограничения в сензорната технология и да избегне принципа на неопределеността.

Квантови йонни кюбити

Квантовите йонни капани са друга технологична платформа, която се използва за разработване на квантови компютри. Тя включва използването на електромагнитна сила за ограничаване на йони в свободното пространство. lonQ е водещ привърженик на този подход.

Архитектури за отгряване

Архитектурата на отгряване е по-проста и се основава на идеята за намиране на най-ниското енергийно състояние в квантовата система. Това състояние с най-ниска енергия съответства на оптималното решение на оптимизационна задача.

Архитектури на порта

Архитектурите на гейтовете използват квантовия еквивалент на логическите гейтове, които служат като градивни елементи на силициевите централни процесори. Като се има предвид този факт, квантовият компютър, базиран на портали, може поне на теория да изчисли същия набор от проблеми като традиционния компютър.

Фотоника

Фотонните системи разчитат на светлинни импулси и поляризация на светлината, за да създадат своите кюбити. За разлика от повечето други технологии за кюбити, те имат предимството да работят при стайна температура, но са склонни да работят много по-бавно от свръхпроводимите кюбити. Xanadu е водещата компания, която прилага фотонно-базиран подход към контрола на качеството.

Постквантова криптография (PQC)

Постквантовата криптография е събирателен термин за нови подходи за криптиране с публичен ключ, които са устойчиви на квантови компютри. Процесът на избор на алгоритми за PQC се ръководи от Националния институт за стандарти и технологии (NIST). Повечето големи организации следват примера на NIST.

Квантови изчисления в облака

Хардуер

Обикновено компаниите, които се нуждаят от QC, не притежават собствени компютри. Понастоящем идеята за локални квантови компютри не е практична поради няколко основни причини:

  • Квантовите устройства са скъпи
  • Тяхната експлоатация е сложна и следователно скъпа.
  • Като се има предвид колко често квантовите устройства получават подобрения от производителите си, едно отделно устройство би остаряло бързо.

Вместо това крайните потребители на квантови компютри имат достъп до тях чрез облачни услуги.

Понастоящем съществуват два подхода за предоставяне на КК в облак:

Плюсове и минуси на двата подхода

Собствен облак

При този подход доставчиците предлагат достъп до собствените си устройства за контрол на качеството чрез собствените си облачни услуги. IBM е най-важната компания, която следва този подход, предлагайки QC чрез своята IBM Q Network.

Силни страни

По-тясна интеграция между съществуващата облачна платформа на доставчика и квантовата платформа Намаляване на мрежовата латентност между класическата облачна платформа и квантовата платформа, което ще бъде предимство за приложения с ниска латентност (като например откриване на измами).

Слаби страни

Ограничен избор на опции за квантови изчисления

Потенциал за по-рестриктивни търговски модели

Опасност от блокиране на доставчика

Публичен облак

При този подход водещите облачни услуги осигуряват достъп до устройствата за контрол на качеството на трети страни. Amazon Braket, например, предлага достъп до D-Wave, rigetti, Oxford Quantum Circuits, IonQ и Xanadu, като се подготвят още. Microsoft Azure Quantum предлага достъп до Quantinuum, IonQ, Quantum Circuits Inc, rigetti, PASQAL, 1QBit, Microsoft QIO и Toshiba SQBM+.

Силни страни

Използва съществуващите услуги за достъп и фактуриране на доставчика на облак и подобни споделени услуги.

Осигурява лесен достъп до квантови компютри, обикновено по модела "плати, колкото искаш".

Осигурява достъп до голямо разнообразие от квантови компютри, което позволява сравнение между платформите и определяне на подходящото устройство за решаване на проблема.

Слаби страни

Тенденция към по-голямо закъснение при достъпа до квантовото устройство поради обиколките по мрежата и опашките.

Това от своя страна създава проблеми при приложения като откриване на измами и високочестотна търговия, които имат изисквания за работа в реално време или ниска латентност, до степен, в която такива приложения може да се окажат неприложими.

 

 

В бъдеще доставчиците на облачни услуги могат да разполагат квантови устройства в своите центрове за данни заедно с традиционния си хардуер за CPU и GPU, като по този начин минимизират ефектите на латентност и дават възможност за нов клас високопроизводителни квантово-класически хибридни приложения с ниска латентност, като например откриване на измами и високочестотна търговия.

Софтуер/API

API и свързаните с тях SDK обикновено са с отворен код и, с малки изключения, са написани на езика за програмиране Python.

Всеки водещ доставчик на QC обикновено предоставя свои собствени API за поддръжка на своите устройства или услуги.

Някои доставчици, като IonQ, са решили да поддържат API на други доставчици, вместо да разработват свои собствени API. IonQ, например, поддържа Qiskit от IBM и Cirq. Този подход позволява квантовите алгоритми, написани в Qiskit за квантова машина на IBM например, да бъдат по-лесно пренесени за работа на устройство IonQ.

В бъдеще ще има малък брой стандартизирани API, предоставени или задължителни от големите доставчици на технологии/облак (IBM/Amazon/Microsoft), към които ще се присъединят производителите на хардуер за квантови изчисления.

Приложения във финансовите услуги

В стремежа си към лидерство в областта на качеството на качеството финансовите институции вероятно ще открият, че развитието и задържането на уменията и талантите ще се превърнат в ключово поле за битка. Лидерите в прилагането на квантовите технологии ще видят, че тяхната сигурност, оперативна ефективност и ефективност на продуктите им значително ще нараснат, докато изоставащите ще видят, че тези аспекти на техния бизнес ще бъдат подкопани.

Въпреки че не очакваме квантови компютри, които да са достатъчно мощни, за да декриптират днешните криптосистеми, базирани на PKI, поне до 10-12 години, предстои значителна работа, за да ги подготвим за противодействие на квантовите заплахи.

Катализиращ ефект в други сектори

QC има потенциално трансформиращи приложения в редица други области.

Откриване на лекарства

Квантовите изчисления ще подобрят процеса на откриване на лекарства, като ускорят идентифицирането и симулирането на молекули. Той ще премести експериментите от мокрите лаборатории в компютрите и изследователите ще имат достъп до химически комбинации, за чието разработване с конвенционални компютри ще са необходими десетилетия.

Киберсигурност

Квантовите компютри наистина застрашават гръбнака на сигурността на днешните мрежи - криптографията с публичен ключ RSA. Но квантовата технология ще даде възможност и за нови и още по-сигурни форми на комуникация.

Логистика

QC ще трансформира нашите вериги за доставки, като обработва безпрецедентно сложни масиви от данни, свързани с производствения капацитет, географията и инфраструктурата, метеорологичните условия, маршрутизацията, капацитета на железопътните и транспортните линии и други.

Автомобилна индустрия

QC ще се доближи до жизнеспособна екосистема за автономни превозни средства. ИИ и машинното обучение, задвижвани с квантови технологии, ще ускорят процеса на обучение на необходимите алгоритми. Класификацията на изображения и задържането на 3D обекти също ще се възползват от QC.

Симулация

QC ще предостави нови възможности за моделиране на реалността. Ще можем по-добре да предвиждаме екстремни метеорологични явления, да съставяме диаграми на изменението на климата, да предвиждаме как градското развитие ще се отрази на емисиите, да прогнозираме нарастването на населението - и още много други.

Тъй като QC набира популярност, естествено ще видим случаи на употреба в много сектори.

НОВОВЪЗНИКВАЩИ ТЕХНОЛОГИИ

Играчите в QC в момента

Различни производители на хардуер създават свои собствени квантови компютри, като използват различни основни физически явления и прилагат както универсални, базирани на портали подходи, така и подхода на квантовото отгряване. Те включват:

В допълнение към доставчиците на хардуер, всеки от които обикновено предлага свои собствени софтуерни библиотеки (например IBM qiskit, D-Wave Ocean, Google Cirq), има и редица доставчици на чист квантов софтуер. Сред тях са:

Растеж на пазара на QC

2016

$89M

глобален пазар на квантови изчисления

2025

$949M

глобален пазар на квантови изчисления (прогнозен)

30% CAGR от 2017 до 2025 г.

Голям потенциал пред вас

Квантовите компютри ще са подходящи за определени задачи. В близко бъдеще квантовите компютри ще се справят отлично с решаването на сложни числени задачи и ще съществуват съвместно със съществуващите класически компютри, за да създадат квантово-класически хибридни системи. Хибридността е важна, тъй като докато класическите компютри дават изчистени резултати, квантовите компютри дават резултати във вид на вероятностни разпределения, генерирайки набори от отговори, които след това може да се наложи да бъдат прецизирани с помощта на класически компютри. В по-далечно бъдеще QC има потенциал да бъде трансформиращ. Тя ще направи огромни подобрения в някои области, като ни даде възможност да създаваме нови революционни лекарства, да оптимизираме работата на финансовите пазари, да осигуряваме сигурността на мрежите си, да разбираме сложните системи - от екологията на Земята до глобалните мрежи за търсене и предлагане - и много други. Що се отнася до максималния ефект, хоризонтът е отворен. Предстоят значителни промени в социалната и икономическата сфера: Подобно на класическата компютърна техника, QC ще доведе до цялостно преобразуване на начина ни на живот. Но историята тепърва предстои да се пише и следващите няколко десетилетия ще бъдат свидетели на това, което най-добрите ни умове могат да направят с този нов мощен инструмент.