Skip to main content

Σήματα

Κβαντική Πληροφορική

Η επόμενη γενιά υπολογιστικής τεχνολογίας

Η έλευση της κβαντικής πληροφορικής αποτελεί τον επόμενο μεγάλο τεχνολογικό μετασχηματισμό, που θα οδηγήσει σε ολοκληρωμένες οικονομικές και κοινωνικές αλλαγές. Ακολουθεί μια σύντομη εισαγωγή για το τι αναμένεται από την τεχνολογία.

Η επόμενη γενιά της τεχνολογίας πληροφορικής

Η κβαντική πληροφορική (QC) είναι η επόμενη γενιά υπολογιστικής τεχνολογίας, που αξιοποιεί την κβαντική φυσική.

Ενώ η κλασική πληροφορική βασίζεται στο bit, τη βασική της μονάδα, η κβαντική πληροφορική βασίζεται στο qubit - ή σε οποιαδήποτε τιμή μεταξύ qubits ή σε οποιοδήποτε συνδυασμό τους.

Ενώ ένα bit υπάρχει σύμφωνα με μια δυαδική λογική - είναι είτε 0 είτε 1, off είτε on - ένα qubit μπορεί να υπάρχει και στην κατάσταση 0 και στην κατάσταση 1 ταυτόχρονα, σε ένα φαινόμενο γνωστό ως "υπέρθεση".

Η "εμπλοκή" είναι ένα άλλο θεμελιώδες φαινόμενο που δίνει στην QC τη δύναμή της. Όταν δύο ή περισσότερα qubits είναι συνυφασμένα, λειτουργούν ως ένα ενιαίο σύστημα, όπως τα γρανάζια ενός κιβωτίου ταχυτήτων, έτσι ώστε μια αλλαγή σε ένα qubit να αλλάζει όλα τα άλλα με τα οποία είναι συνυφασμένο. Αυτό σημαίνει ότι μια και μόνο λειτουργία μπορεί να επηρεάσει ταυτόχρονα τις καταστάσεις πολλών qubits.

Το αποτέλεσμα είναι ένας εντυπωσιακά πιο ισχυρός νέος τύπος υπολογιστών.

Μέχρι το 2030 θα μπορούσαν να υπάρχουν 2.000 έως 5.000 κβαντικοί υπολογιστές σε όλο τον κόσμο. Το 2018 υπήρχαν λιγότερες από δώδεκα.

Υπολογιστές που είναι εκθετικά πιο ισχυροί

1 κβαντικός υπολογιστής μπορεί να λύσει ένα πρόβλημα που θα απαιτούσε ένα σύμπλεγμα 512 GPUs

Το QC έχει τη δυνατότητα να λύσει προβλήματα που είναι εκθετικά πιο πολύπλοκα από αυτά που μπορεί να λύσει η κλασική υπολογιστική.

Ένας κβαντικός υπολογιστής 1.000 κβαντικών κουμπιών (ο οποίος προβλέπεται να φτάσει σε 2-3 χρόνια) θα μπορεί να λειτουργείταυτόχρονα σε 10³⁰¹(δηλαδή ένα 1 ακολουθούμενο από 301 μηδενικά) διαφορετικές λεγόμενες "καταστάσεις πληροφορίας".

Μια "κατάσταση" σε αυτό το πλαίσιο σημαίνει μια πιθανή λύση σε ένα δεδομένο πρόβλημα. Οι περισσότερες πιθανές λύσεις θα είναι λανθασμένες, οπότε όσο περισσότερες καταστάσεις μπορούμε να εξερευνήσουμε, τόσο περισσότερες πιθανότητες έχουμε να βρούμε την καλύτερη λύση.

Δύο αρχιτεκτονικές, δύο χρονικά πλαίσια

Οι κβαντικοί ανοπτήρες είναι εξειδικευμένοι για εργασίες βελτιστοποίησης. Μια αεροπορική εταιρεία θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει έναν τέτοιο υπολογιστή για να προετοιμάσει ένα βέλτιστο πρόγραμμα δρομολογίων αεροσκαφών, το οποίο ελαχιστοποιεί τη χρήση καυσίμων, εξασφαλίζοντας παράλληλα την τήρηση όλων των δρομολογίων των επιβατών.

Θα αρχίσουν να έχουν εμπορικό αντίκτυπο σε 2-5 χρόνια.

 

Οι κβαντικοί υπολογιστές που βασίζονται σε πύλες είναι καθολικοί, πράγμα που σημαίνει ότι θα μπορούν να υπολογίζουν ένα ευρύ φάσμα προβλημάτων. Στο μέλλον μια φαρμακευτική εταιρεία θα χρησιμοποιήσει ένα τέτοιο σύστημα για την προσομοίωση νέων φαρμακευτικών ενώσεων, εξερευνώντας τις επιδράσεις εκατομμυρίων από αυτές χωρίς να χρειάζεται να τις συνθέσει και να τις δοκιμάσει.

Θα αρχίσουν να έχουν εμπορικό αντίκτυπο σε 7-10 χρόνια.

Τεχνολογίες Quantum

Υπεραγώγιμα qubits

Μία από τις κορυφαίες τεχνολογικές πλατφόρμες για την ανάπτυξη κβαντικών υπολογιστών. Η IBM, η Google, η D-Wave και άλλοι το εφαρμόζουν. Τα υπεραγώγιμα συστήματα λειτουργούν συνήθως σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, κοντά στο απόλυτο μηδέν, προκειμένου να δημιουργηθούν οι κατάλληλες συνθήκες για κβαντικούς υπολογισμούς.

Κβαντικά δίκτυα

Τα κβαντικά δίκτυα επιτρέπουν τη μετάδοση κβαντικά περιπλεγμένων πληροφοριών μέσω διαύλων επικοινωνίας. Είναι μία από τις τεχνολογίες που επιτρέπουν την QKD και θα επιτρέψουν τόσο τη βελτίωση της ασφάλειας όσο και την αύξηση του εύρους ζώνης.

Διανομή κβαντικού κλειδιού (QKD)

Μια ασφαλής μέθοδος επικοινωνίας που υλοποιεί ένα κρυπτογραφικό πρωτόκολλο που περιλαμβάνει στοιχεία της κβαντομηχανικής. Επιτρέπει σε δύο μέρη να παράγουν ένα κοινό τυχαίο μυστικό κλειδί που γνωρίζουν μόνο αυτά, ένα κλειδί που μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για την κρυπτογράφηση και αποκρυπτογράφηση μηνυμάτων. Υπόσχεται ότι θα είναι άτρωτο σε επιθέσεις κατασκοπείας ή "man-in-the-middle".

Κβαντικός αισθητήρας

Μια συσκευή που λειτουργεί ανιχνεύοντας τις μεταβολές της μικροβαρύτητας χρησιμοποιώντας τις αρχές της κβαντικής φυσικής, η οποία βασίζεται στον χειρισμό της φύσης σε υπομοριακό επίπεδο. Η κβαντική ανίχνευση χρησιμοποιεί ιδιότητες της κβαντομηχανικής, όπως η κβαντική διεμπλοκή, η κβαντική παρεμβολή και η κβαντική συμπίεση καταστάσεων, για να ξεπεράσει τα σημερινά όρια της τεχνολογίας αισθητήρων και να παρακάμψει την αρχή της αβεβαιότητας.

Κβαντικά ιοντικά qubits

Οι παγίδες κβαντικών ιόντων είναι μια άλλη τεχνολογική πλατφόρμα που χρησιμοποιείται για την ανάπτυξη κβαντικών υπολογιστών. Περιλαμβάνει τη χρήση ηλεκτρομαγνητικής δύναμης για τον περιορισμό ιόντων στον ελεύθερο χώρο. Η lonQ είναι ο κύριος υποστηρικτής αυτής της προσέγγισης.

Αρχιτεκτονικές ανόπτησης

Η αρχιτεκτονική ανόπτησης είναι απλούστερη και βασίζεται στην ιδέα της εύρεσης της χαμηλότερης ενεργειακής κατάστασης στο κβαντικό σύστημα. Αυτή η κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας αντιστοιχεί στη βέλτιστη λύση ενός προβλήματος βελτιστοποίησης.

Αρχιτεκτονικές πυλών

Οι αρχιτεκτονικές πυλών χρησιμοποιούν το κβαντικό ισοδύναμο των λογικών πυλών που χρησιμεύουν ως δομικά στοιχεία των κεντρικών μονάδων επεξεργασίας πυριτίου. Δεδομένου αυτού του γεγονότος, ένας κβαντικός υπολογιστής που βασίζεται σε πύλες μπορεί, θεωρητικά τουλάχιστον, να υπολογίσει το ίδιο σύνολο προβλημάτων με έναν παραδοσιακό υπολογιστή.

Φωτονική

Τα φωτονικά συστήματα βασίζονται σε παλμούς φωτός και στην πόλωση του φωτός για να δημιουργήσουν τα qubits τους. Σε αντίθεση με τις περισσότερες άλλες τεχνολογίες qubit, έχουν το πλεονέκτημα ότι λειτουργούν σε θερμοκρασία δωματίου, αλλά τείνουν να λειτουργούν πολύ πιο αργά από τα υπεραγώγιμα qubit. Η Xanadu είναι η κορυφαία εταιρεία που επιδιώκει μια προσέγγιση QC με βάση το φωτονικό σύστημα.

Μετα-κβαντική κρυπτογραφία (PQC)

Η μετα-κβαντική κρυπτογραφία είναι ο συλλογικός όρος για τις νέες προσεγγίσεις κρυπτογράφησης δημόσιου κλειδιού που είναι ανθεκτικές στους κβαντικούς υπολογιστές. Η διαδικασία επιλογής των αλγορίθμων PQC διευθύνεται από το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST). Οι περισσότεροι μεγάλοι οργανισμοί ακολουθούν το παράδειγμα του NIST.

Κβαντική υπολογιστική στο νέφος

Υλικό

Συνήθως, οι εταιρείες που χρειάζονται QC δεν διαθέτουν δικούς τους υπολογιστές. Η ιδέα της δημιουργίας κβαντικών υπολογιστών στις εγκαταστάσεις δεν είναι επί του παρόντος πρακτική, για διάφορους βασικούς λόγους:

  • Οι κβαντικές συσκευές είναι ακριβές
  • Η λειτουργία τους είναι πολύπλοκη, και ως εκ τούτου δαπανηρή
  • Δεδομένου του πόσο συχνά οι κβαντικές συσκευές λαμβάνουν αναβαθμίσεις από τους κατασκευαστές τους, μια μεμονωμένη συσκευή θα παρωθούσε γρήγορα.

Αντίθετα, οι τελικοί χρήστες των κβαντικών υπολογιστών έχουν πρόσβαση σε αυτούς μέσω υπηρεσιών νέφους.

Επί του παρόντος υπάρχουν δύο προσεγγίσεις για την παροχή QC στο υπολογιστικό νέφος:

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των δύο προσεγγίσεων

Ιδιόκτητο Cloud

Σε αυτή την προσέγγιση, οι πάροχοι προσφέρουν πρόσβαση στις δικές τους συσκευές QC μέσω των δικών τους υπηρεσιών cloud. Η IBM είναι η σημαντικότερη εταιρεία που ακολουθεί αυτή την προσέγγιση, προσφέροντας QC μέσω του IBM Q Network.

Δυνατά σημεία

Στενότερη ενσωμάτωση μεταξύ της υπάρχουσας πλατφόρμας νέφους του παρόχου και της κβαντικής πλατφόρμας Μειωμένη καθυστέρηση δικτύου μεταξύ μιας κλασικής πλατφόρμας νέφους και της κβαντικής πλατφόρμας, γεγονός που θα αποτελέσει πλεονέκτημα για εφαρμογές χαμηλής καθυστέρησης (όπως η ανίχνευση απάτης).

Αδυναμίες

Περιορισμένη επιλογή επιλογών back-end κβαντικού υπολογισμού

Δυνατότητα πιο περιοριστικών εμπορικών μοντέλων

Κίνδυνος εγκλωβισμού του προμηθευτή

Δημόσιο υπολογιστικό νέφος

Σε αυτή την προσέγγιση, οι κορυφαίες υπηρεσίες cloud παρέχουν πρόσβαση στις συσκευές QC τρίτων προμηθευτών. Το Amazon Braket, για παράδειγμα, προσφέρει πρόσβαση στις εταιρείες D-Wave, rigetti, Oxford Quantum Circuits, IonQ και Xanadu, ενώ ετοιμάζονται και άλλες. Το Microsoft Azure Quantum προσφέρει πρόσβαση στις εταιρείες Quantinuum, IonQ, Quantum Circuits Inc, rigetti, PASQAL, 1QBit, Microsoft QIO και Toshiba SQBM+.

Δυνατά σημεία

Χρησιμοποιεί τις υπάρχουσες υπηρεσίες πρόσβασης και χρέωσης του παρόχου νέφους και παρόμοιες κοινές υπηρεσίες

Παρέχει εύκολη πρόσβαση σε κβαντικούς υπολογιστές, συνήθως με το μοντέλο "pay as you go".

Παρέχει πρόσβαση σε μια μεγάλη ποικιλία κβαντικών υπολογιστών, επιτρέποντας τη σύγκριση μεταξύ πλατφορμών και τον προσδιορισμό της κατάλληλης συσκευής για το εκάστοτε πρόβλημα.

Αδυναμίες

Τάση προς υψηλότερη καθυστέρηση στην πρόσβαση στην κβαντική συσκευή λόγω διαδρομών στο δίκτυο και ουρών αναμονής

Αυτό, με τη σειρά του, δημιουργεί προβλήματα σε εφαρμογές όπως η ανίχνευση απάτης και οι συναλλαγές υψηλής συχνότητας που έχουν απαιτήσεις πραγματικού χρόνου ή χαμηλής καθυστέρησης, σε σημείο που οι εφαρμογές αυτές μπορεί να μην είναι πρακτικές.

 

 

Στο μέλλον, οι πάροχοι υπολογιστικού νέφους θα μπορούν να φιλοξενούν κβαντικές συσκευές στα κέντρα δεδομένων τους παράλληλα με το παραδοσιακό υλικό CPU και GPU, ελαχιστοποιώντας έτσι τα φαινόμενα καθυστέρησης και επιτρέποντας μια νέα κατηγορία υβριδικών εφαρμογών κβαντικής-κλασικής τεχνολογίας υψηλής απόδοσης και χαμηλής καθυστέρησης, όπως η ανίχνευση απάτης και οι συναλλαγές υψηλής συχνότητας.

Λογισμικό/API

Τα APIs και τα σχετικά SDKs τείνουν να είναι ανοικτού κώδικα και, με λίγες εξαιρέσεις, είναι γραμμένα στη γλώσσα προγραμματισμού Python.

Κάθε κορυφαίος προμηθευτής QC παρέχει συνήθως τα δικά του API για την υποστήριξη των συσκευών ή των υπηρεσιών του.

Ορισμένοι προμηθευτές, όπως η IonQ, αποφάσισαν να υποστηρίξουν τα API άλλων προμηθευτών αντί να αναπτύξουν τα δικά τους ιδιόκτητα API. Η IonQ, για παράδειγμα, υποστηρίζει το Qiskit της IBM και της Cirq. Αυτή η προσέγγιση επιτρέπει στους κβαντικούς αλγορίθμους που έχουν γραφτεί στο Qiskit για μια κβαντική μηχανή της IBM, για παράδειγμα, να μεταφερθούν ευκολότερα για να τρέξουν σε μια συσκευή IonQ.

Στο μέλλον θα υπάρξει ένας μικρός αριθμός τυποποιημένων APIs, τα οποία θα παρέχονται ή θα επιβάλλονται από τους μεγάλους παρόχους τεχνολογίας/υπολογιστικού νέφους (IBM/Amazon/Microsoft) και στα οποία θα βασίζονται οι προμηθευτές υλικού κβαντικής υπολογιστικής.

Εφαρμογές στις χρηματοπιστωτικές υπηρεσίες

Καθώς επιδιώκουν την ηγετική θέση στο QC, τα χρηματοπιστωτικά ιδρύματα είναι πιθανό να διαπιστώσουν ότι η ανάπτυξη δεξιοτήτων και ταλέντων και η διατήρησή τους θα αποτελέσουν βασικό πεδίο μάχης. Οι ηγέτες στην εφαρμογή των κβαντικών τεχνολογιών θα δουν την ασφάλεια, τη λειτουργική αποδοτικότητα και την αποτελεσματικότητα των προϊόντων τους να αυξάνονται σημαντικά, ενώ οι υστερούντες θα δουν αυτές τις πτυχές της επιχείρησής τους να υποβαθμίζονται.

Αν και δεν περιμένουμε κβαντικούς υπολογιστές επαρκώς ισχυρούς για να αποκρυπτογραφήσουν τα σημερινά κρυπτοσυστήματα που βασίζονται σε PKI για τουλάχιστον 10-12 χρόνια, υπάρχει σημαντική δουλειά που πρέπει να γίνει για να προετοιμαστούν ώστε να αντιμετωπίσουν τις κβαντικές απειλές.

Καταλυτική επίδραση σε άλλους τομείς

Το QC έχει δυνητικά μετασχηματιστικές εφαρμογές σε μια σειρά άλλων τομέων.

Ανακάλυψη φαρμάκων

Η κβαντική υπολογιστική θα βελτιώσει τη διαδικασία ανακάλυψης φαρμάκων, επιταχύνοντας τον εντοπισμό και την προσομοίωση μορίων. Θα μεταφέρει τα πειράματα από τα υγρά εργαστήρια στους υπολογιστές και οι ερευνητές θα έχουν πρόσβαση σε χημικούς συνδυασμούς που η συμβατική υπολογιστική θα χρειαζόταν δεκαετίες για να επινοήσουν.

Κυβερνοασφάλεια

Οι κβαντικοί υπολογιστές απειλούν τη ραχοκοκαλιά ασφαλείας των σημερινών δικτύων - την κρυπτογραφία δημόσιου κλειδιού RSA. Αλλά η κβαντική τεχνολογία θα επιτρέψει επίσης νέες και ακόμη πιο ασφαλείς μορφές επικοινωνίας.

Εφοδιαστική

Το QC θα μετασχηματίσει τις αλυσίδες εφοδιασμού μας, διαχειριζόμενο πρωτοφανώς πολύπλοκες μάζες δεδομένων που σχετίζονται με την παραγωγική ικανότητα, τη γεωγραφία και τις υποδομές, τις καιρικές συνθήκες, τη δρομολόγηση, τη χωρητικότητα των σιδηροδρομικών και ναυτιλιακών γραμμών και όχι μόνο.

Αυτοκίνητο

Το QC θα οδηγήσει πιο κοντά σε ένα βιώσιμο οικοσύστημα αυτόνομων οχημάτων. Η τεχνητή νοημοσύνη και η μηχανική μάθηση με κβαντική ισχύ θα επιταχύνουν τη διαδικασία εκμάθησης των απαραίτητων αλγορίθμων. Η ταξινόμηση εικόνων και η κράτηση τρισδιάστατων αντικειμένων θα επωφεληθούν επίσης από το QC.

Προσομοίωση

Το QC θα παρέχει νέες δυνατότητες στη μοντελοποίηση της πραγματικότητας. Θα προβλέψουμε καλύτερα τα ακραία καιρικά φαινόμενα, θα καταγράψουμε την κλιματική αλλαγή, θα προβλέψουμε πώς η αστική ανάπτυξη θα επηρεάσει τις εκπομπές, θα προβλέψουμε την αύξηση του πληθυσμού - και πολλά άλλα.

Καθώς το QC κερδίζει έδαφος, θα δούμε φυσικά να εμφανίζονται περιπτώσεις χρήσης σε πολλούς τομείς.

ΑΝΑΔΥΌΜΕΝΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΊΑ

Οι παίκτες στο QC αυτή τη στιγμή

Διάφοροι προμηθευτές υλικού δημιουργούν τους δικούς τους κβαντικούς υπολογιστές, χρησιμοποιώντας μια σειρά διαφορετικών υποκείμενων φυσικών φαινομένων και αναπτύσσοντας τόσο καθολικές προσεγγίσεις που βασίζονται σε πύλες όσο και την προσέγγιση της κβαντικής ανόπτησης. Αυτά περιλαμβάνουν:

Εκτός από τους προμηθευτές υλικού, καθένας από τους οποίους προσφέρει συνήθως τις δικές του βιβλιοθήκες λογισμικού (π.χ. IBM qiskit, D-Wave Ocean, Google Cirq), υπάρχουν επίσης αρκετοί προμηθευτές κβαντικού λογισμικού. Μεταξύ αυτών:

Ανάπτυξη της αγοράς QC

2016

$89M

παγκόσμια αγορά κβαντικών υπολογιστών

2025

$949M

παγκόσμια αγορά κβαντικής πληροφορικής (προβλεπόμενη)

30% CAGR από το 2017 έως το 2025

Μεγάλες δυνατότητες μπροστά μας

Οι κβαντικοί υπολογιστές θα είναι κατάλληλοι για ορισμένες εργασίες. Στο εγγύς μέλλον, οι κβαντικοί υπολογιστές θα υπερέχουν στην επίλυση πολύπλοκων αριθμητικών προβλημάτων και θα συνυπάρχουν με τους υπάρχοντες κλασικούς υπολογιστές για να δημιουργήσουν υβριδικά κβαντικά-κλασικά συστήματα. Η υβριδικότητα είναι σημαντική, διότι ενώ οι κλασικοί υπολογιστές παρέχουν αποτελέσματα που έχουν αποκοπεί και αποξηραθεί, οι κβαντικοί υπολογιστές παρέχουν αποτελέσματα σε κατανομές πιθανοτήτων, δημιουργώντας σύνολα απαντήσεων που μπορεί στη συνέχεια να απαιτήσουν μείωση με τη χρήση κλασικών υπολογιστών. Στο μέλλον, το QC έχει τη δυνατότητα να είναι μετασχηματιστικό. Θα επιφέρει τεράστιες βελτιώσεις σε ορισμένους τομείς, δίνοντάς μας τα εφόδια για να δημιουργήσουμε νέα επαναστατικά φάρμακα, να βελτιστοποιήσουμε τη λειτουργία των χρηματοπιστωτικών μας αγορών, να ασφαλίσουμε τα δίκτυά μας, να κατανοήσουμε πολύπλοκα συστήματα, από την οικολογία της γης μέχρι τα παγκόσμια δίκτυα προσφοράς και ζήτησης - και πολλά άλλα. Όσον αφορά τα μέγιστα αποτελέσματά του, ο ορίζοντας είναι ανοιχτός. Σημαντικές αλλαγές επίκεινται σε κοινωνικό και οικονομικό επίπεδο: Ακριβώς όπως και η κλασική πληροφορική, η QC θα μεταμορφώσει συνολικά τον τρόπο ζωής μας. Αλλά η ιστορία μένει να γραφτεί, και οι επόμενες δεκαετίες θα είναι μάρτυρες του τι μπορούν να κάνουν τα καλύτερα μυαλά μας με αυτό το ισχυρό νέο εργαλείο.