Skip to main content

Signali

Kvantno računanje

Sljedeća generacija računalne tehnologije

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

Sljedeća generacija računalne tehnologije

Kvantno računarstvo (QC) je sljedeća generacija računalne 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, isključen ili uključen - kubit može postojati i u stanju 0 i u stanju 1 istovremeno, u fenomenu poznatom kao "superpozicija".

„Isprepletenost“ je još jedan temeljni fenomen koji daje QC-u njegovu moć. Kada su dva ili više kubita isprepletena, oni se ponašaju kao jedinstven sustav, 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 utjecati na stanja mnogih kubita.

Rezultat je zapanjujuće moćnija nova vrsta računalstva.

Do 2030. godine moglo bi biti između 2000 i 5000 kvantnih računala diljem svijeta. Bilo ih je manje od desetak u 2018. godini.

Računala koja su eksponencijalno snažnija

1 Kvantno računalo može riješiti problem koji bi zahtijevao klaster od 512 GPU-a

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

Kvantno računalo od 1000 kubita (za koje se predviđa dolazak za 2-3 godine) moglo bi istovremeno raditi na 10³⁰¹ (to je jedinica iza koje slijedi 301 nula) različitih takozvanih "stanja informacija".

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

Dvije arhitekture, dva vremenska okvira

Kvantni kalori su specijalizirani za optimizacijske zadatke. Zrakoplovna tvrtka mogla bi koristiti takvo računalo za pripremu optimalnog rasporeda ruta zrakoplova, onog koji minimizira potrošnju goriva, a istovremeno osigurava poštivanje svih rasporeda putnika.

Počet će ostvarivati komercijalni utjecaj za 2-5 godina

 

Kvantna računala temeljena na vratima su univerzalna, što znači da će moći izračunati širok raspon problema. U budućnosti će farmaceutska tvrtka koristiti jedan za simuliranje novih spojeva lijekova, istražujući učinke milijuna njih bez potrebe za njihovom sintezom i testiranjem.

Počet će imati komercijalni utjecaj za 7-10 godina

Kvantne tehnologije

Supravodljivi kubiti

Jedna od vodećih tehnoloških platformi za razvoj kvantnih računala. IBM, Google, D-Wave i drugi to primjenjuju. Supravodljivi sustavi obično rade na vrlo niskim temperaturama, blizu apsolutne nule, kako bi stvorili odgovarajuće uvjete za kvantno računanje.

Kvantne mreže

Kvantne mreže omogućuju prijenos kvantno isprepletenih informacija putem 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 komunikacijska metoda koja implementira kriptografski protokol koji uključuje komponente kvantne mehanike. Omogućuje dvjema stranama da generiraju zajednički slučajni 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 detektiranjem varijacija u mikrogravitaciji koristeći principe kvantne fizike, koja se temelji na manipuliranju prirodom na submolekularnoj razini. Kvantno očitavanje koristi svojstva kvantne mehanike poput kvantne isprepletenosti, kvantne interferencije i kvantnog stiskanja stanja kako bi nadmašilo trenutna ograničenja u tehnologiji senzora i izbjeglo princip neodređenosti.

Kvantni ionski kubiti

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

Arhitekture žarenja

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

Arhitekture vrata

Arhitekture vrata koriste kvantni ekvivalent logičkih vrata koja služe kao gradivni blokovi središnjih procesorskih jedinica na bazi silicija. S obzirom na tu činjenicu, kvantno računalo temeljeno na vratima može, barem u teoriji, izračunati isti skup problema kao i tradicionalno računalo.

Fotonika

Fotonski sustavi oslanjaju se na svjetlosne impulse i polarizaciju svjetlosti za stvaranje svojih kubita. 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 tvrtka koja primjenjuje fotonski pristup kontroli kvalitete.

Postkvantna kriptografija (PQC)

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

Kvantno računanje u oblaku

Hardver

Tvrtke kojima je potrebna kontrola kvalitete obično ne posjeduju vlastita računala. Ideja kvantnih računala na lokaciji trenutno nije praktična iz nekoliko ključnih razloga:

  • Kvantni uređaji su skupi
  • Njihov rad je složen, a samim tim i skup
  • S obzirom na to koliko često kvantni uređaji dobivaju nadogradnje od svojih proizvođača, pojedinačni bi brzo zastario.

Umjesto toga, krajnji korisnici kvantnih računala pristupaju im putem usluga u oblaku.

Trenutno postoje dva pristupa pružanju kontrole kvalitete u oblaku:

Prednosti i nedostaci dvaju pristupa

Vlasnički oblak

U ovom pristupu, pružatelji usluga nude pristup vlastitim QC uređajima putem vlastitih usluga u oblaku. IBM je najvažnija tvrtka koja slijedi ovaj pristup, nudeći kontrolu kvalitete putem svoje IBM Q mreže.

Snage

Čvršća integracija između postojeće cloud platforme pružatelja usluga i kvantne platforme. Smanjena latencija mreže između klasične cloud platforme i kvantne platforme, što će biti prednost za aplikacije s niskom latencijom (kao što je otkrivanje prijevara).

Slabosti

Ograničen izbor opcija za pozadinsko upravljanje kvantnim računalstvom

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-Waveu, Rigettiju, Oxford Quantum Circuitsu, IonQ-u i Xanaduu, a u razvoju su i drugi. Microsoft Azure Quantum nudi pristup Quantinuumu, IonQ, Quantum Circuits Inc, rigetti, PASQAL, 1QBit, Microsoft QIO i Toshiba SQBM+.

Snage

Koristi postojeće usluge pristupa i naplate pružatelja usluga u oblaku i slične dijeljene usluge

Pruža jednostavan pristup kvantnim računalima, obično s modelom "plaćanja po korištenju"

Pruža pristup širokom rasponu kvantnih računala, omogućujući usporedbu između platformi i identifikaciju odgovarajućeg uređaja za rješavani problem.

Slabosti

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

To, pak, stvara probleme u aplikacijama poput otkrivanja prijevara i visokofrekventnog trgovanja koje imaju zahtjeve za rad u stvarnom vremenu ili nisku latenciju, do te mjere da takve aplikacije možda nisu praktične.

 

 

U budućnosti, pružatelji usluga u oblaku mogli bi u svojim podatkovnim centrima uz tradicionalni CPU i GPU hardver smještati kvantne uređaje, čime bi se smanjili učinci latencije i omogućila nova klasa hibridnih kvantno-klasičnih aplikacija s visokim protokom i niskom latencijom, poput otkrivanja prijevara i visokofrekventnog trgovanja.

Softver/API-ji

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

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

Neki dobavljači, poput IonQ-a, odlučili su podržavati API-je drugih dobavljača umjesto da razvijaju vlastite vlasničke API-je. IonQ, na primjer, podržava Qiskit od IBM-a i Cirqa. Ovaj pristup omogućuje, na primjer, lakše prenošenje kvantnih algoritama napisanih u Qiskitu za IBM-ov kvantni stroj za rad na IonQ uređaju.

U budućnosti će postojati mali broj standardiziranih API-ja, koje će pružati ili nalagati veliki pružatelji tehnoloških/oblačnih usluga (IBM/Amazon/Microsoft), a na koje će se nadovezati dobavljači hardvera za kvantno računalstvo.

Primjene u financijskim uslugama

Dok teže vodećoj poziciji u kontroli kvalitete, financijske institucije vjerojatno će otkriti da će razvoj i zadržavanje vještina i talenata postati ključno bojno polje. Lideri u primjeni kvantnih tehnologija vidjet će značajan rast sigurnosti, operativne učinkovitosti i učinkovitosti proizvoda, dok će oni koji zaostaju vidjeti kako se ovi aspekti njihovog poslovanja smanjuju.

Iako ne očekujemo da će kvantna računala biti dovoljno snažna za dešifriranje današnjih kriptosustava temeljenih na PKI-ju barem sljedećih 10-12 godina, predstoji značajan posao kako bi se pripremila za suprotstavljanje kvantnim prijetnjama.

Katalizirajući učinak 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 računala, a istraživači će imati pristup kemijskim kombinacijama za čije bi osmišljavanje konvencionalnim računalstvom bila potrebna desetljeća.

Kibernetička sigurnost

Kvantna računala doista prijete sigurnosnoj okosnici današnjih mreža - RSA kriptografiji javnog ključa. Ali kvantna tehnologija će također omogućiti nove i još sigurnije oblike komunikacije.

Logistika

QC će transformirati naše lance opskrbe rukovanjem neviđeno složenim masama podataka vezanih uz proizvodne kapacitete, geografiju i infrastrukturu, vremenske obrasce, rute, kapacitet željezničkih i brodskih ruta i dalje.

Automobilska industrija

QC će se više približiti održivom ekosustavu 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 kvalitete.

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 dobiva na popularnosti, prirodno ćemo vidjeti slučajeve upotrebe u brojnim sektorima.

NOVA TEHNOLOGIJA

Igrači u QC-u upravo sada

Razni dobavljači hardvera stvaraju vlastita kvantna računala, koristeći niz različitih temeljnih fizičkih fenomena i primjenjujući univerzalne pristupe temeljene na vratima i pristup kvantnog kaljenja. To uključuje:

Uz dobavljače 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.

89 milijuna dolara

globalno tržište kvantnog računalstva

2025.

949 milijuna dolara

globalno tržište kvantnog računalstva (projekcija)

30% složene godišnje stope rasta od 2017. do 2025.

Veliki potencijal pred nama

Kvantna računala bit će prikladna za određene zadatke. U bliskoj budućnosti, kvantna računala će se istaknuti u rješavanju složenih numeričkih problema i koegzistirati će s postojećim klasičnim računalima kako bi omogućila kvantno-klasične hibridne sustave. Hibridnost je važna jer, dok klasično računanje daje jednostavne rezultate, kvantna računala daju rezultate u distribucijama vjerojatnosti, generirajući skupove odgovora koji potom mogu zahtijevati analizu pomoću klasičnih računala. U daljnjoj budućnosti, QC ima potencijal biti transformativan. To će donijeti ogromna poboljšanja u određenim sferama, dajući nam sredstva za stvaranje revolucionarnih novih lijekova, optimizaciju rada naših financijskih tržišta, osiguranje naših mreža, razumijevanje složenih sustava, od Zemljine ekologije do globalnih mreža ponude i potražnje - i još mnogo toga. Što se tiče njegovih maksimalnih učinaka, horizont je otvoren. Značajne promjene na pomolu su na društvenoj i ekonomskoj razini: baš kao i klasično računarstvo, QC će biti sveobuhvatno transformativan u smislu načina na koji živimo. Ali priča tek treba biti napisana, a sljedećih nekoliko desetljeća bit će svjedoci onoga što naši najbolji umovi mogu učiniti s ovim moćnim novim alatom.