Skip to main content

Signály

Kvantová výpočetní technika

Nová generace výpočetní techniky

Nástup kvantové výpočetní techniky představuje další významnou technologickou transformaci, která bude hnací silou rozsáhlých ekonomických a sociálních změn. Zde je stručný úvod do toho, co se od této technologie očekává.

Nová generace výpočetní techniky

Kvantová výpočetní technika (QC) je novou generací výpočetní technologie využívající kvantovou fyziku.

Zatímco klasické výpočty se opírají o bit, základní jednotku, kvantové výpočty se opírají o qubit - nebo o jakoukoli hodnotu mezi qubity či jejich kombinaci.

Zatímco bit existuje podle binární logiky - buď 0, nebo 1, vypnuto, nebo zapnuto - qubit může existovat ve stavu 0 i 1 současně, což je jev známý jako "superpozice"".

"Zapletení" je dalším základním jevem, který dává QC jeho sílu. Když jsou dva nebo více qubitů provázány, fungují jako jeden systém, podobně jako ozubená kolečka v převodovce, takže změna jednoho qubitu změní všechny ostatní, se kterými je provázán. To znamená, že jedna operace může současně ovlivnit stavy mnoha qubitů.

Výsledkem je překvapivě výkonnější nový typ výpočetní techniky.

Do roku 2030 by mohlo být na světě 2 000 až 5 000 kvantových počítačů. V roce 2018 jich bylo méně než tucet.

Počítače, které jsou exponenciálně výkonnější

1 kvantový počítač dokáže vyřešit problém, který by vyžadoval cluster 512 grafických procesorů.

QC má potenciál řešit problémy, které jsou exponenciálně složitější než ty, které dokáže řešit klasická výpočetní technika.

Kvantový počítač s 1000 qubity (jehož příchod se předpokládá za 2-3 roky) by byl schopen pracovat s 10³⁰¹(to je jednička následovaná 301 nulami) různými takzvanými "stavy informace" současně.

"Stav" v tomto kontextu znamená jedno z možných řešení daného problému. Většina možných řešení bude chybná, takže čím více stavů můžeme prozkoumat, tím větší je šance najít nejlepší řešení.

Dvě architektury, dva časové rámce

Kvantové žíhací stroje jsou specializované na optimalizační úlohy. Letecká společnost může takový počítač použít k přípravě optimálního plánu tras letadel, který minimalizuje spotřebu paliva a zároveň zajišťuje splnění letového řádu pro všechny cestující.

Komerční dopad začnou mít za 2-5 let.

 

Kvantové počítače založené na bránách jsou univerzální, což znamená, že budou schopny počítat širokou škálu problémů. V budoucnu ho bude farmaceutická společnost používat k simulaci nových sloučenin léčiv a zkoumání účinků milionů z nich, aniž by je musela syntetizovat a testovat.

Za 7-10let začnou mít komerční dopad.

Kvantové technologie

Supravodivé qubity

Jedna z předních technologických platforem pro vývoj kvantových počítačů. IBM, Google, D- Wave a další ji využívají. Supravodivé systémy obvykle pracují při velmi nízkých teplotách blízkých absolutní nule, aby se vytvořily vhodné podmínky pro kvantové výpočty.

Kvantové sítě

Kvantové sítě umožňují přenos kvantově provázaných informací komunikačními kanály. Jsou jednou z technologií, které stojí za QKD, a umožní zlepšit zabezpečení i zvýšit šířku pásma.

Kvantová distribuce klíčů (QKD)

Bezpečná komunikační metoda, která implementuje kryptografický protokol zahrnující komponenty kvantové mechaniky. Umožňuje dvěma stranám vytvořit sdílený náhodný tajný klíč, který znají pouze ony samy a který lze následně použít k šifrování a dešifrování zpráv. Slibuje, že bude nezranitelný proti slídění nebo útokům "man-in-the-middle".

Kvantový senzor

Zařízení, které funguje na základě detekce změn mikrogravitace s využitím principů kvantové fyziky, která je založena na manipulaci s přírodou na submolekulární úrovni. Kvantové snímání využívá vlastností kvantové mechaniky, jako je kvantové provázání, kvantová interference a kvantové stlačování stavů, k překonání současných limitů v technologii senzorů a k obejití principu neurčitosti.

Kvantové iontové qubity

Kvantové iontové pasti jsou další technologickou platformou, která se používá k vývoji kvantových počítačů. Jedná se o využití elektromagnetické síly k omezení iontů ve volném prostoru. Společnost lonQ je předním zastáncem tohoto přístupu.

Architektury žíhání

Jednodušší architektura žíhání je založena na myšlence nalezení nejnižšího energetického stavu v kvantovém systému. Tento stav s nejnižší energií odpovídá optimálnímu řešení optimalizačního problému.

Architektury bran

Architektury hradel využívají kvantový ekvivalent logických hradel, která slouží jako stavební kameny křemíkových centrálních výpočetních jednotek. Vzhledem k této skutečnosti může kvantový počítač založený na hradlech alespoň teoreticky počítat stejný soubor problémů jako tradiční počítač.

Fotonika

Fotonické systémy se při vytváření qubitů spoléhají na světelné impulsy a polarizaci světla. Na rozdíl od většiny ostatních qubitových technologií mají výhodu, že pracují při pokojové teplotě, ale mají tendenci pracovat mnohem pomaleji než supravodivé qubity. Xanadu je přední společností, která se zabývá přístupem ke kontrole kvality založeným na fotonických technologiích.

Postkvantová kryptografie (PQC)

Postkvantová kryptografie je souhrnné označení pro nové přístupy k šifrování s veřejným klíčem, které jsou odolné vůči kvantovým počítačům. Proces výběru algoritmů PQC řídí Národní institut pro standardy a technologie (NIST). Většina velkých organizací následuje příkladu NIST.

Kvantové výpočty v cloudu

Hardware

Společnosti, které potřebují kontrolu kvality, obvykle nevlastní vlastní počítače. Myšlenka lokálních kvantových počítačů není v současné době praktická, a to z několika klíčových důvodů:

  • Kvantová zařízení jsou drahá
  • Jejich provoz je složitý, a tudíž nákladný
  • Vzhledem k tomu, jak často výrobci kvantová zařízení aktualizují, by jednotlivá zařízení rychle zastarala.

Místo toho k nim koncoví uživatelé kvantových počítačů přistupují prostřednictvím cloudových služeb.

V současné době existují dva přístupy ke cloudovému poskytování kontroly kvality:

Výhody a nevýhody obou přístupů

Proprietární cloud

V rámci tohoto přístupu poskytovatelé nabízejí přístup k vlastním zařízením QC prostřednictvím vlastních cloudových služeb. Nejvýznamnější společností, která se tímto přístupem řídí, je IBM, která nabízí QC prostřednictvím své sítě IBM Q Network.

Silné stránky

Užší integrace mezi stávající cloudovou platformou poskytovatele a kvantovou platformou Snížení síťové latence mezi klasickou cloudovou platformou a kvantovou platformou, což bude výhodou pro aplikace s nízkou latencí (např. detekce podvodů).

Slabé stránky

Omezený výběr možností kvantového výpočetního back-endu

Potenciál pro restriktivnější obchodní modely

Nebezpečí uzamčení dodavatele

Veřejný cloud

V rámci tohoto přístupu poskytují přední cloudové služby přístup k zařízením QC třetích stran. Amazon Braket například nabízí přístup ke společnostem D-Wave, rigetti, Oxford Quantum Circuits, IonQ a Xanadu a další se připravují. Microsoft Azure Quantum nabízí přístup ke společnostem Quantinuum, IonQ, Quantum Circuits Inc, rigetti, PASQAL, 1QBit, Microsoft QIO a Toshiba SQBM+.

Silné stránky

Využívá stávající přístupové a fakturační služby poskytovatele cloudu a podobné sdílené služby.

Poskytuje snadný přístup ke kvantovým počítačům, obvykle s modelem "pay as you go".

Poskytuje přístup k široké škále kvantových počítačů, což umožňuje porovnávat jednotlivé platformy a určit vhodné zařízení pro daný problém.

Slabé stránky

Tendence k vyšší latenci při přístupu ke kvantovému zařízení v důsledku síťových obchvatů a řazení do front.

To zase způsobuje problémy v aplikacích, jako je odhalování podvodů a vysokofrekvenční obchodování, které mají požadavky na reálný čas nebo nízkou latenci, a to do té míry, že tyto aplikace nemusí být praktické.

 

 

V budoucnu mohou poskytovatelé cloudových služeb hostovat kvantová zařízení ve svých datových centrech vedle tradičního hardwaru CPU a GPU, čímž se minimalizuje vliv latence a umožní vznik nové třídy hybridních kvantově-klasických aplikací s vysokou propustností a nízkou latencí, jako je detekce podvodů a vysokofrekvenční obchodování.

Software/API

Rozhraní API a související sady SDK jsou obvykle otevřená a až na výjimky napsaná v programovacím jazyce Python.

Každý přední dodavatel QC obvykle poskytuje vlastní rozhraní API pro podporu svých zařízení nebo služeb.

Někteří dodavatelé, například společnost IonQ, se rozhodli podporovat rozhraní API jiných dodavatelů, místo aby vyvíjeli vlastní proprietární rozhraní API. IonQ například podporuje Qiskit od IBM a Cirq. Tento přístup umožňuje snadnější přenos kvantových algoritmů napsaných v Qiskitu například pro kvantový stroj IBM na zařízení IonQ.

V budoucnu bude existovat malý počet standardizovaných rozhraní API, které budou poskytovat nebo nařizovat velcí poskytovatelé technologií/cloudu (IBM/Amazon/Microsoft) a na které budou navazovat dodavatelé hardwaru pro kvantové výpočty.

Aplikace ve finančních službách

Finanční instituce, které usilují o vedoucí postavení v oblasti kontroly kvality, pravděpodobně zjistí, že klíčovým bojištěm se stane rozvoj a udržení dovedností a talentů. U lídrů v používání kvantových technologií výrazně vzroste bezpečnost, provozní efektivita a účinnost produktů, zatímco u opozdilců se tyto aspekty jejich podnikání zhorší.

Přestože neočekáváme, že kvantové počítače budou dostatečně výkonné na to, aby dešifrovaly dnešní kryptosystémy založené na PKI dříve než za 10-12 let, je třeba na jejich přípravě na boj proti kvantovým hrozbám ještě hodně zapracovat.

Katalyzující účinek v jiných odvětvích

QC má potenciálně transformační využití v řadě dalších oblastí.

Objevování léků

Kvantová výpočetní technika zlepší proces objevování léků tím, že urychlí identifikaci a simulaci molekul. Experimenty se přesunou z mokrých laboratoří do počítačů a výzkumníci budou mít přístup k chemickým kombinacím, které by konvenční výpočetní technika vyvíjela desítky let.

Kybernetická bezpečnost

Kvantové počítače skutečně ohrožují bezpečnostní páteř dnešních sítí - kryptografii s veřejným klíčem RSA. Kvantová technologie však také umožní nové a ještě bezpečnější formy komunikace.

Logistika

QC změní naše dodavatelské řetězce tím, že bude zpracovávat bezprecedentně složité množství dat týkajících se výrobní kapacity, geografie a infrastruktury, povětrnostních podmínek, trasování, kapacity železnic a přepravních tras a dalších údajů.

Automobilový průmysl

QC se přiblíží životaschopnému ekosystému autonomních vozidel. Kvantově poháněná umělá inteligence a strojové učení urychlí proces učení potřebných algoritmů. Z QC bude profitovat také klasifikace obrazu a detekce 3D objektů.

Simulace

QC poskytne nové možnosti modelování reality. Budeme moci lépe předvídat extrémní povětrnostní jevy, mapovat změny klimatu, předpovídat, jak rozvoj měst ovlivní emise, předpovídat růst populace - a mnoho dalšího.

S tím, jak QC získává na popularitě, se přirozeně objeví případy použití v mnoha odvětvích.

VZNIKAJÍCÍ TECHNOLOGIE

Hráči v QC právě teď

Řada výrobců hardwaru vytváří vlastní kvantové počítače, které využívají řadu různých základních fyzikálních jevů a používají jak univerzální přístupy založené na hradlech, tak přístup kvantového žíhání. Patří mezi ně:

Kromě dodavatelů hardwaru, z nichž každý obvykle nabízí vlastní softwarové knihovny (např. IBM qiskit, D-Wave Ocean, Google Cirq), existuje také řada čistě kvantových dodavatelů softwaru. Patří mezi ně:

Růst trhu QC

2016

$89M

globální trh s kvantovou výpočetní technikou

2025

$949M

globální trh s kvantovou výpočetní technikou (předpoklad)

30% CAGR od roku 2017 do roku 2025

Velký potenciál před námi

Kvantové počítače budou vhodné pro určité úlohy. V blízké budoucnosti budou kvantové počítače vynikat v řešení složitých numerických problémů a budou koexistovat se stávajícími klasickými počítači, což umožní vznik kvantově-klasických hybridních systémů. Hybridita je důležitá, protože zatímco klasické počítače poskytují hotové výstupy, kvantové počítače poskytují výstupy v podobě pravděpodobnostních rozdělení a vytvářejí soubory odpovědí, které pak mohou vyžadovat výběr pomocí klasických počítačů. V budoucnosti má QC transformační potenciál. V některých oblastech přinese obrovská zlepšení, umožní nám vytvářet nové revoluční léky, optimalizovat fungování finančních trhů, zabezpečit naše sítě, porozumět složitým systémům, od ekologie Země až po globální sítě nabídky a poptávky, a mnoho dalšího. Co se týče jeho maximálních účinků, je horizont otevřený. V sociální a ekonomické oblasti se chystají významné změny: Stejně jako klasická výpočetní technika bude i QC komplexně měnit způsob našeho života. Příběh se však teprve bude psát a příštích několik desetiletí bude svědkem toho, co naše nejlepší mozky s tímto novým mocným nástrojem dokážou.