Skip to main content

Signaalit

Kvanttilaskenta

Seuraavan sukupolven laskentateknologia

Kvanttilaskennan tulo edustaa seuraavaa merkittävää teknologista muutosta, joka ajaa laajoja taloudellisia ja sosiaalisia muutoksia. Tässä lyhyt katsaus siihen, mitä teknologialta odotetaan.

Seuraavan sukupolven laskentatekniikka

Kvanttilaskenta (QC) on seuraavan sukupolven laskentateknologia, joka hyödyntää kvanttifysiikkaa.

Klassinen laskenta perustuu bittiin, sen perusyksikköön, kun taas kvanttilaskenta perustuu kubittiin – tai mihin tahansa kubitien väliseen arvoon tai mihin tahansa näiden yhdistelmään.

Vaikka bitti on olemassa binäärilogiikan mukaan – se on joko 0 tai 1, pois päältä tai päällä – kubitti voi olla sekä 0- että 1-tilassa samanaikaisesti, ilmiössä, joka tunnetaan nimellä "superpositio".

”Sotkeutuminen” on toinen perustavanlaatuinen ilmiö, joka antaa laadunvalvonnalle sen voiman. Kun kaksi tai useampi kubitti on kietoutunut toisiinsa, ne toimivat yhtenä järjestelmänä, aivan kuten vaihdelaatikon hammasrattaat, niin että yhden kubitin muutos muuttaa kaikkia muita, joihin se on kietoutunut. Tämä tarkoittaa, että yksi operaatio voi samanaikaisesti vaikuttaa useiden kubitien tiloihin.

Lopputuloksena on hämmästyttävän tehokas uudentyyppinen laskenta.

Vuoteen 2030 mennessä maailmassa saattaa olla 2 000–5 000 kvanttitietokonetta. Vuonna 2018 niitä oli alle tusina.

Tietokoneet, jotka ovat eksponentiaalisesti tehokkaampia

1 Kvanttitietokone voi ratkaista ongelman, joka vaatisi 512 näytönohjaimen klusterin

Laadunvalvonnalla on potentiaalia ratkaista ongelmia, jotka ovat eksponentiaalisesti monimutkaisempia kuin klassisen laskennan avulla ratkaistavat ongelmat.

1 000 kubitin kvanttitietokone (jonka ennustetaan saapuvan 2–3 vuoden kuluessa) pystyisi toimimaan samanaikaisesti 10³⁰¹ (eli ykkönen ja sen perässä 301 nollaa) eri niin sanotulla ”informaatiotilalla”.

Tässä yhteydessä ”tila” tarkoittaa yhtä mahdollista ratkaisua tiettyyn ongelmaan. Useimmat mahdolliset ratkaisut tulevat olemaan vääriä, joten mitä useampia tiloja pystymme tutkimaan, sitä paremmat mahdollisuudet meillä on löytää paras ratkaisu.

Kaksi arkkitehtuuria, kaksi aikakehystä

Kvanttihehkutuslaitteet on erikoistunut optimointitehtäviin. Lentoyhtiö voisi käyttää tällaista tietokonetta laatiakseen optimaalisen aikataulun lentokoneiden reitityksille, joka minimoi polttoaineenkulutuksen ja varmistaa samalla, että kaikkien matkustajien aikataulut täyttyvät.

Ne alkavat tehdä kaupallista vaikutusta 2–5 vuodenkuluessa.

 

Porttipohjaiset kvanttitietokoneet ovat universaaleja, mikä tarkoittaa, että ne pystyvät laskemaan monenlaisia ongelmia. Tulevaisuudessa lääkeyritys käyttää sitä uusien lääkeyhdisteiden simulointiin ja tutkii miljoonien niiden vaikutuksia ilman, että niitä tarvitsee syntetisoida ja testata.

Ne alkavat tehdä kaupallista vaikutusta 7–10 vuodenkuluttua.

Kvanttiteknologiat

Suprajohtavat kubitit

Yksi johtavista kvanttitietokoneiden kehittämisen teknologia-alustoista. IBM, Google, D-Wave ja muut laittavat sen toimimaan. Suprajohtavat järjestelmät toimivat tyypillisesti hyvin matalissa lämpötiloissa, lähellä absoluuttista nollapistettä, luodakseen oikeat olosuhteet kvanttilaskennalle.

Kvanttiverkot

Kvanttiverkot mahdollistavat kvanttisidottujen tietojen siirtämisen viestintäkanavien kautta. Ne ovat yksi QKD:n taustalla olevista mahdollistavista teknologioista ja mahdollistavat sekä paremman tietoturvan että suuremman kaistanleveyden.

Kvanttiavaimen jakauma (QKD)

Suojattu viestintämenetelmä, joka toteuttaa kvanttimekaniikan komponentteja sisältävän kryptografisen protokollan. Sen avulla kaksi osapuolta voi luoda jaetun satunnaisen, vain heille tutun avaimen, jota voidaan sitten käyttää viestien salaamiseen ja salauksen purkamiseen. Sen lupauksena on olla haavoittumaton vakoilulle tai "välimieshyökkäyksille".

Kvanttianturi

Laite, joka toimii havaitsemalla mikrogravitaation vaihteluita kvanttifysiikan periaatteiden avulla, jotka perustuvat luonnon manipulointiin submolekyylitasolla. Kvanttianturi hyödyntää kvanttimekaniikan ominaisuuksia, kuten kvanttilomittumista, kvantti-interferenssiä ja kvanttitilojen puristumista, ylittääkseen anturiteknologian nykyiset rajat ja kiertääkseen epävarmuusperiaatteen.

Kvantti-ioni-kubitit

Kvantti-ioniloukut ovat toinen teknologia-alusta, jota käytetään kvanttitietokoneiden kehittämisessä. Se liittyy sähkömagneettisen voiman käyttämiseen ionien rajoittamiseksi vapaassa tilassa. lonQ on tämän lähestymistavan johtava kannattaja.

Hehkutusarkkitehtuurit

Hehkutusarkkitehtuuri on yksinkertaisempi ja perustuu ajatukseen löytää kvanttijärjestelmän pienimmän energian tila. Tämä pienimmän energian tila vastaa optimointiongelman optimaalista ratkaisua.

Porttiarkkitehtuurit

Porttiarkkitehtuurit käyttävät kvanttiekvivalenttia logiikkaporteille, jotka toimivat piipohjaisten keskusyksiköiden rakennuspalikoina. Tämän tosiasian perusteella porttipohjainen kvanttitietokone voi ainakin teoriassa laskea samat ongelmat kuin perinteinen tietokone.

Fotoniikka

Fotoniset järjestelmät luovat kubittinsa valopulsseihin ja valon polarisaatioon. Toisin kuin useimmat muut kubittiteknologiat, niillä on etuna huoneenlämmössä toimiminen, mutta ne toimivat yleensä paljon hitaammin kuin suprajohtavat kubitit. Xanadu on johtava fotoniikkaan perustuvaa laadunvalvontaa soveltava yritys.

Postkvanttikryptografia (PQC)

Postkvanttikryptografia on yhteisnimitys uusille julkisen avaimen salausmenetelmille, jotka ovat vastustuskykyisiä kvanttitietokoneille. PQC-algoritmien valintaprosessia hallinnoi Yhdysvaltain kansallinen standardien ja teknologian instituutti (NIST). Useimmat suuret organisaatiot seuraavat NIST:n esimerkkiä.

Kvanttilaskenta pilvessä

Laitteisto

Yleensä yrityksillä, jotka tarvitsevat laadunvalvontaa, ei ole omia tietokoneita. Paikallisten kvanttitietokoneiden idea ei ole tällä hetkellä käytännöllinen useista keskeisistä syistä:

  • Kvanttilaitteet ovat kalliita
  • Niiden toiminta on monimutkaista ja siten kallista
  • Ottaen huomioon, kuinka usein kvanttilaitteita päivitetään valmistajiltaan, yksittäinen laite vanhenisi nopeasti

Sen sijaan kvanttitietokoneiden loppukäyttäjät käyttävät niitä pilvipalveluiden kautta.

Tällä hetkellä on kaksi lähestymistapaa laadunvarmistuksen tarjoamiseen pilvipalvelussa:

Kahden lähestymistavan hyvät ja huonot puolet

Omistettu pilvi

Tässä lähestymistavassa palveluntarjoajat tarjoavat pääsyn omiin laadunvalvontalaitteisiinsa omien pilvipalveluidensa kautta. IBM on tärkein tätä lähestymistapaa noudattava yritys, joka tarjoaa laadunvalvontaa IBM Q Network -verkostonsa kautta.

Vahvuudet

Tiiviimpi integraatio palveluntarjoajan olemassa olevan pilvialustan ja kvanttialustan välillä. Pienempi verkkoviive klassisen pilvialustan ja kvanttialustan välillä, mikä on etu matalan viiveen sovelluksissa (kuten petosten havaitsemisessa).

Heikkoudet

Rajallinen valikoima kvanttilaskennan taustajärjestelmiä

Mahdollisuus rajoittavampiin kaupallisiin malleihin

Myyjäriippuvuuden vaara

Julkinen pilvi

Tässä lähestymistavassa johtavat pilvipalvelut tarjoavat pääsyn kolmansien osapuolten toimittajien laadunvarmistuslaitteisiin. Esimerkiksi Amazon Braket tarjoaa pääsyn D-Waveen, Rigettiin, Oxford Quantum Circuitsiin, IonQ:hon ja Xanaduun, ja lisää on tulossa. Microsoft Azure Quantum tarjoaa pääsyn Quantinuumille, IonQ:lle, Quantum Circuits Inc:lle, rigettille, PASQAL:lle, 1QBitille, Microsoft QIO:lle ja Toshiba SQBM+:lle.

Vahvuudet

Käyttää pilvipalveluntarjoajan olemassa olevia käyttöoikeus- ja laskutuspalveluita sekä vastaavia jaettuja palveluita

Tarjoaa helpon pääsyn kvanttitietokoneisiin, tyypillisesti "maksa käytön mukaan" -mallilla

Tarjoaa pääsyn laajaan valikoimaan kvanttitietokoneita, mikä mahdollistaa alustojen vertailun ja sopivan laitteen tunnistamisen käsillä olevaan ongelmaan

Heikkoudet

Taipumus suurempaan latenssiin kvanttilaitteen käytössä verkon edestakaisten matkojen ja jonotuksen vuoksi

Tämä puolestaan aiheuttaa ongelmia sovelluksissa, kuten petosten havaitsemisessa ja suurtaajuuskaupankäynnissä, joilla on reaaliaikaisia tai matalan latenssin vaatimuksia, jopa siinä määrin, että tällaiset sovellukset eivät välttämättä ole käytännöllisiä.

 

 

Tulevaisuudessa pilvipalveluntarjoajat saattavat isännöidä kvanttilaitteita datakeskuksissaan perinteisen CPU- ja GPU-laitteistonsa rinnalla, mikä minimoi latenssivaikutukset ja mahdollistaa uudenlaisen suuren läpimenon ja matalan latenssin kvanttiklassisten hybridisovellusten luokan, kuten petosten havaitsemisen ja suurtaajuuskaupankäynnin.

Ohjelmistot/APIt

API-rajapinnat ja niihin liittyvät SDK:t ovat yleensä avoimen lähdekoodin ja muutamia poikkeuksia lukuun ottamatta kirjoitettu Python-ohjelmointikielellä.

Jokainen johtava laadunvarmistustoimittaja tarjoaa tyypillisesti omat API-rajapintansa laitteidensa tai palveluidensa tukemiseksi.

Jotkut toimittajat, kuten IonQ, ovat päättäneet tukea muiden toimittajien API-rajapintoja sen sijaan, että kehittäisivät omia API-rajapintojaan. Esimerkiksi IonQ tukee IBM:n ja Cirqin Qiskitiä. Tämä lähestymistapa mahdollistaa esimerkiksi IBM:n kvanttikoneelle Qiskitillä kirjoitettujen kvanttialgoritmien helpomman siirtämisen toimimaan IonQ-laitteella.

Tulevaisuudessa nähdään pieni määrä standardoituja API-rajapintoja, joita suuret teknologia-/pilvipalveluntarjoajat (IBM/Amazon/Microsoft) tarjoavat tai määräävät, ja joiden varaan kvanttitietokoneiden laitteistotoimittajat rakentavat.

Sovellukset rahoituspalveluissa

Pyrkiessään johtajuuteen laadunvalvonnassa rahoituslaitokset todennäköisesti huomaavat, että osaamisen ja kykyjen kehittämisestä ja säilyttämisestä tulee keskeinen taistelukenttä. Kvanttiteknologioiden soveltamisen johtajat huomaavat tietoturvansa, toiminnan tehokkuutensa ja tuotteidensa vaikuttavuuden kasvavan merkittävästi, kun taas jäljessä olevat huomaavat näiden liiketoimintansa osa-alueiden heikkenevän.

Vaikka emme odota kvanttitietokoneiden olevan riittävän tehokkaita purkamaan nykyisten PKI-pohjaisten kryptojärjestelmien salausta ainakaan 10–12 vuoteen, on vielä paljon työtä tehtävänä, jotta ne voidaan valmistaa torjumaan kvanttiuhkia.

Katalyyttinen vaikutus muilla aloilla

Laadunvalvonnalla on potentiaalisesti mullistavia sovelluksia useilla muillakin alueilla.

Lääkkeiden löytäminen

Kvanttilaskenta parantaa lääkekehitysprosessia nopeuttamalla molekyylien tunnistamista ja simulointia. Se siirtää kokeita märkälaboratorioista tietokoneille ja tutkijoilla on pääsy kemiallisiin yhdistelmiin, joiden kehittäminen perinteisellä laskennalla veisi vuosikymmeniä.

Kyberturvallisuus

Kvanttitietokoneet uhkaavat nykyisten verkkojen turvallisuusrunkoa – RSA:n julkisen avaimen salaustekniikkaa. Mutta kvanttiteknologia mahdollistaa myös uusia ja entistä turvallisempia viestintämuotoja.

Logistiikka

Laadunvalvonta mullistaa toimitusketjumme käsittelemällä ennennäkemättömän monimutkaisia tietomassoja, jotka liittyvät valmistuskapasiteettiin, maantieteeseen ja infrastruktuuriin, säämalleihin, reitteihin, rautatie- ja laivaväylien kapasiteettiin ja muuhun.

Autoteollisuus

QC pyrkii lähemmäksi elinkelpoista autonomisten ajoneuvojen ekosysteemiä. Kvanttipohjainen tekoäly ja koneoppiminen nopeuttavat tarvittavien algoritmien oppimisprosessia. Myös kuvien luokittelu ja 3D-objektien pidätys hyötyvät laadunvalvonnasta.

simulointi

Laadunvalvonta tuo uusia ominaisuuksia todellisuuden mallintamiseen. Pystymme paremmin ennakoimaan äärimmäisiä sääilmiöitä, kartoittamaan ilmastonmuutosta, ennustamaan kaupunkikehityksen vaikutusta päästöihin, ennustamaan väestönkasvua – ja paljon muuta.

Laadunvalvonnan yleistyessä näemme luonnollisesti käyttötapauksia useilla eri sektoreilla.

UUSI TEKNOLOGIA

QC:n pelaajat juuri nyt

Useat laitetoimittajat luovat omia kvanttitietokoneitaan hyödyntäen erilaisia taustalla olevia fysikaalisia ilmiöitä ja ottamalla käyttöön sekä universaaleja, porttipohjaisia lähestymistapoja että kvanttihehkutusmenetelmää. Näitä ovat:

Laitteistotoimittajien lisäksi, joista jokainen tyypillisesti tarjoaa omia ohjelmistokirjastojaan (esim. IBM qiskit, D-Wave Ocean, Google Cirq), on myös useita puhtaasti kvanttipohjaisia ohjelmistotoimittajia. Heidän joukossaan:

QC-markkinoiden kasvu

2016

89 miljoonaa dollaria

globaalit kvanttilaskennan markkinat

2025

949 miljoonaa dollaria

globaalit kvanttilaskennan markkinat (ennuste)

30 %:n vuotuinen kasvuvauhti vuosina 2017–2025

Suuri potentiaali edessä

Kvanttitietokoneet sopivat tiettyihin tehtäviin. Lyhyellä aikavälillä kvanttitietokoneet tulevat olemaan erinomaisia monimutkaisten numeeristen ongelmien ratkaisemisessa ja toimivat rinnakkain olemassa olevien klassisten tietokoneiden kanssa mahdollistaen kvanttiklassiset hybridijärjestelmät. Hybridiys on tärkeää, koska klassinen laskenta tuottaa valmiita tuloksia, kun taas kvanttitietokoneet tuottavat todennäköisyysjakaumia, jolloin syntyy joukko vastauksia, jotka saattavat vaatia seulomista klassisilla tietokoneilla. Kauempana tulevaisuudessa laadunvalvonnalla on potentiaalia olla mullistava. Se tulee tekemään valtavia parannuksia tietyillä aloilla, antaen meille keinot luoda mullistavia uusia lääkkeitä, optimoida rahoitusmarkkinoidemme toimintaa, turvata verkostomme, ymmärtää monimutkaisia järjestelmiä maapallon ekosysteemeistä globaaleihin tarjonnan ja kysynnän verkostoihin – ja paljon muuta. Maksimivaikutusten osalta horisontti on avoin. Merkittäviä muutoksia on tulossa sosiaalisella ja taloudellisella tasolla: Aivan kuten klassinen laskenta, laadunvalvonta tulee mullistamaan kokonaisvaltaisesti elämäntapamme. Mutta tarina on vielä kirjoittamatta, ja seuraavat vuosikymmenet todistavat, mitä parhaat mielemme pystyvät tekemään tällä tehokkaalla uudella työkalulla.