Skip to main content

Jelek

Kvantumszámítástechnika

A számítástechnika következő generációja

A kvantumszámítástechnika megjelenése jelenti a következő nagy technológiai átalakulást, amely átfogó gazdasági és társadalmi változásokat indít el. Íme egy rövid ismertető arról, hogy mi várható a technológiától.

A számítástechnika következő generációja

A kvantumszámítástechnika (QC) a kvantumfizikát hasznosító számítástechnika következő generációja.

Míg a klasszikus számítástechnika a bitre, az alapegységre támaszkodik, addig a kvantumszámítástechnika a qubitre - vagy a qubitek közötti bármely értékre, illetve azok bármely kombinációjára.

Míg egy bit a bináris logika szerint létezik - vagy 0 vagy 1, ki vagy be -, addig a qubit egyszerre létezhet 0 és 1 állapotban is, a "szuperpozíció" néven ismert jelenségben".

Az "összefonódás" egy másik alapvető jelenség, amely a QC erejét adja. Ha két vagy több qubit összefonódik, akkor egyetlen rendszerként viselkednek, mint a fogaskerekek egy sebességváltóban, így az egyik qubit megváltoztatása megváltoztatja az összes többi qubitet, amellyel összefonódott. Ez azt jelenti, hogy egyetlen művelet egyszerre több qubit állapotát is befolyásolhatja.

Az eredmény egy meglepően erőteljes új típusú számítástechnika.

2030-ra világszerte 2000-5000 kvantumszámítógép működhet. 2018-ban kevesebb mint egy tucatnyian voltak.

Az exponenciálisan nagyobb teljesítményű számítógépek

1 kvantumszámítógép képes megoldani egy olyan feladatot, amelyhez 512 GPU-kbólálló klaszterre lenne szükség .

A QC olyan problémák megoldására képes, amelyek exponenciálisan összetettebbek, mint amilyeneket a klasszikus számítástechnika képes megoldani.

Egy 1000 qubites kvantumszámítógép (amely az előrejelzések szerint 2-3 éven belül érkezik) képes lenne egyszerre 10³⁰¹ (ez egy 1, amelyet 301 nulla követ) különböző úgynevezett "információs állapotot" kezelni.

Az "állapot" ebben az összefüggésben egy adott probléma egy lehetséges megoldását jelenti. A legtöbb lehetséges megoldás rossz lesz, ezért minél több állapotot vizsgálhatunk meg, annál nagyobb az esélyünk arra, hogy megtaláljuk a legjobb megoldást.

Két architektúra, két időkeret

A kvantumlágyítók optimalizálási feladatokra specializálódtak. Egy légitársaság egy ilyen számítógép segítségével elkészítheti a repülőgépek optimális útvonaltervét, amely minimalizálja az üzemanyag-felhasználást, miközben biztosítja, hogy az összes utas menetrendje teljesüljön.

2-5 év múlva kezdenek kereskedelmi hatást gyakorolni.

 

A kapu alapú kvantumszámítógépek univerzálisak, ami azt jelenti, hogy a problémák széles skáláját képesek lesznek kiszámítani. A jövőben egy gyógyszergyártó cég az egyiket arra fogja használni, hogy új gyógyszerkeverékeket szimuláljon, és milliónyi hatásukat vizsgálja, anélkül, hogy szintetizálnia és tesztelnie kellene őket.

7-10 év múlva kezdenek kereskedelmi hatást gyakorolni.

Kvantum technológiák

Szupravezető qubitek

A kvantumszámítógépek fejlesztésének egyik vezető technológiai platformja. Az IBM, a Google, a D-Wave és mások már alkalmazzák. A szupravezető rendszerek jellemzően nagyon alacsony hőmérsékleten, az abszolút nulla közelében működnek, hogy megteremtsék a kvantumszámítás megfelelő feltételeit.

Kvantumhálózatok

A kvantumhálózatok lehetővé teszik a kvantum összefonódott információk átvitelét kommunikációs csatornákon keresztül. Ezek a QKD egyik alaptechnológiája, és lehetővé teszik a nagyobb biztonságot és a nagyobb sávszélességet.

Kvantumkulcs-elosztás (QKD)

Biztonságos kommunikációs módszer, amely a kvantummechanika összetevőit tartalmazó kriptográfiai protokollt valósít meg. Lehetővé teszi két fél számára, hogy egy csak általuk ismert, véletlenszerűen megosztott titkos kulcsot hozzanak létre, amely kulcsot aztán az üzenetek titkosítására és visszafejtésére lehet használni. Azt ígéri, hogy sebezhetetlen lesz a szimatolással vagy a "man-in-the-middle" támadásokkal szemben.

Kvantum érzékelő

Egy olyan eszköz, amely a mikrogravitáció változásainak érzékelésével működik a kvantumfizika elveinek felhasználásával, amely a természet szubmolekuláris szintű manipulációján alapul. A kvantumérzékelés a kvantummechanika olyan tulajdonságait használja, mint a kvantum összefonódás, a kvantuminterferencia és a kvantumállapot-összenyomás, hogy túllépjen az érzékelőtechnológia jelenlegi korlátain, és megkerülje a bizonytalansági elvet.

Kvantumion qubitek

A kvantumioncsapdák egy másik technológiai platform, amelyet kvantumszámítógépek fejlesztésére használnak. Ennek során elektromos-mágneses erőt használnak az ionok szabad térben való elzárására. Az lonQ ennek a megközelítésnek a vezető képviselője.

Annealing architektúrák

Egyszerűbb a lágyítási architektúra, amely a kvantumrendszer legalacsonyabb energiaállapotának megtalálására épül. Ez a legalacsonyabb energiájú állapot egy optimalizálási probléma optimális megoldásának felel meg.

Kapuarchitektúrák

A kapuarchitektúrák a szilícium alapú központi feldolgozóegységek építőelemeként szolgáló logikai kapuk kvantumos megfelelőjét használják. Tekintettel erre a tényre, egy kapu alapú kvantumszámítógép legalábbis elméletben képes ugyanolyan problémákat megoldani, mint egy hagyományos számítógép.

Fotonika

A fotonikus rendszerek fényimpulzusokra és fénypolarizációra támaszkodnak a qubitjeik létrehozásához. A legtöbb más qubit-technológiával ellentétben ezek előnye, hogy szobahőmérsékleten működnek, de sokkal lassabban, mint a szupravezető qubitek. A Xanadu a QC fotonalapú megközelítését alkalmazó vezető vállalat.

Posztkvantumkriptográfia (PQC)

A posztkvantumkriptográfia a kvantumszámítógépeknek ellenálló új, nyilvános kulcsú titkosítási megközelítések gyűjtőneve. A PQC-algoritmusok kiválasztásának folyamatát a Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet (NIST) irányítja. A legtöbb nagy szervezet követi a NIST példáját.

Kvantumszámítás a felhőben

Hardver

A minőségellenőrzést igénylő vállalatoknak általában nincs saját számítógépük. A helyben működő kvantumszámítógépek ötlete jelenleg több okból sem megvalósítható:

  • A kvantumeszközök drágák
  • Működésük összetett, és ezért költséges
  • Tekintettel arra, hogy a kvantumeszközök milyen gyakran kapnak frissítéseket a gyártóktól, egy egyedi eszköz gyorsan elavulttá válna.

Ehelyett a kvantumszámítógépek végfelhasználói felhőszolgáltatásokon keresztül férnek hozzá.

Jelenleg kétféle megközelítés létezik a minőségellenőrzés felhőalapú biztosítására:

A két megközelítés előnyei és hátrányai

Saját felhő

Ebben a megközelítésben a szolgáltatók saját QC-eszközeikhez saját felhőszolgáltatásukon keresztül biztosítanak hozzáférést. Az IBM a legfontosabb vállalat, amely ezt a megközelítést követi, és az IBM Q Network révén kínál minőségellenőrzést.

Erősségek

Szorosabb integráció a szolgáltató meglévő felhőplatformja és a kvantumplatform között Csökkentett hálózati késleltetés a klasszikus felhőplatform és a kvantumplatform között, ami előnyös az alacsony késleltetésű alkalmazások (például csalásfelismerés) esetében.

Gyengeségek

Kvantumszámítási háttértár-opciók korlátozott választéka

Szigorúbb kereskedelmi modellek lehetősége

A vendor lock-in veszélye

Nyilvános felhő

Ebben a megközelítésben a vezető felhőszolgáltatások hozzáférést biztosítanak a harmadik felek QC-eszközeihez. Az Amazon Braket például hozzáférést kínál a D-Wave, a rigetti, az Oxford Quantum Circuits, az IonQ és a Xanadu rendszerekhez, és továbbiak is készülnek. A Microsoft Azure Quantum hozzáférést biztosít a Quantinuum, IonQ, Quantum Circuits Inc, rigetti, PASQAL, 1QBit, Microsoft QIO és Toshiba SQBM+ rendszerekhez.

Erősségek

A felhőszolgáltató meglévő hozzáférési és számlázási szolgáltatásait és hasonló megosztott szolgáltatásokat használ.

Könnyű hozzáférést biztosít a kvantumszámítógépekhez, jellemzően "pay as you go" modellel.

Hozzáférést biztosít a kvantumszámítógépek széles választékához, lehetővé téve a platformok közötti összehasonlítást és az adott problémához megfelelő eszköz azonosítását.

Gyengeségek

A kvantumeszközhöz való hozzáférés késleltetése a hálózati körutazások és a várakozási idő miatt

Ez viszont problémákat vet fel az olyan alkalmazásokban, mint a csalások felderítése és a nagyfrekvenciás kereskedés, amelyek valós idejű vagy alacsony késleltetési követelményeket támasztanak, olyannyira, hogy az ilyen alkalmazások nem feltétlenül praktikusak.

 

 

A jövőben a felhőszolgáltatók a hagyományos CPU- és GPU-hardverek mellett kvantumeszközöket is elhelyezhetnek adatközpontjaikban, így minimalizálva a késleltetési hatásokat, és lehetővé téve a nagy átviteli teljesítményű, alacsony késleltetésű kvantum-klasszikus hibrid alkalmazások új osztályát, például a csalás felderítését és a nagyfrekvenciás kereskedelmet.

Szoftver/API-k

Az API-k és a kapcsolódó SDK-k általában nyílt forráskódúak, és néhány kivételtől eltekintve Python programozási nyelven íródnak.

Minden vezető QC-szállító jellemzően saját API-kat biztosít az eszközei vagy szolgáltatásai támogatásához.

Egyes gyártók, például az IonQ, úgy döntöttek, hogy inkább támogatják más gyártók API-it, minthogy saját, szabadalmaztatott API-kat fejlesszenek ki. Az IonQ például támogatja az IBM és a Cirq Qiskitet. Ez a megközelítés lehetővé teszi, hogy a Qiskitben például egy IBM kvantumgépre írt kvantumalgoritmusok könnyebben átültethetők legyenek az IonQ eszközre.

A jövőben a nagy technológiai/felhőszolgáltatók (IBM/Amazon/Microsoft) által biztosított vagy előírt kevés szabványosított API-t fogunk látni, amelyekhez a kvantumszámítástechnikai hardvergyártók építeni fognak.

Alkalmazások a pénzügyi szolgáltatásokban

Miközben a pénzügyi intézmények a minőségbiztosítás terén vezető pozícióra törekszenek, a készségek és a tehetségek fejlesztése és megtartása valószínűleg kulcsfontosságú csatatérré válik. A kvantumtechnológiák alkalmazásában élenjárók biztonsága, működési hatékonysága és termékhatékonysága jelentősen növekedni fog, míg a lemaradók üzleti tevékenységük ezen aspektusait veszíteni fogják.

Bár a mai PKI-alapú kriptorendszerek visszafejtéséhez még legalább 10-12 évig nem számítunk elég erős kvantumszámítógépekre, jelentős munka vár rájuk, hogy felkészítsük őket a kvantumfenyegetések elhárítására.

Katalizáló hatás más ágazatokban

A QC számos más területen is potenciálisan átalakító alkalmazásokat kínál.

Gyógyszerkutatás

A kvantumszámítástechnika a molekulák azonosításának és szimulációjának felgyorsításával javítani fogja a gyógyszerkutatás folyamatát. A kísérletek a nedves laboratóriumokból a számítógépekbe kerülnek, és a kutatók olyan kémiai kombinációkhoz férhetnek hozzá, amelyek kidolgozása a hagyományos számítástechnikával évtizedekig tartana.

Kiberbiztonság

A kvantumszámítógépek veszélyeztetik a mai hálózatok biztonsági gerincét, az RSA nyilvános kulcsú kriptográfiát. A kvantumtechnológia azonban a kommunikáció új és még biztonságosabb formáit is lehetővé teszi.

Logisztika

A QC a gyártási kapacitással, a földrajzi és infrastrukturális adattömegekkel, az időjárási mintákkal, az útvonaltervezéssel, a vasúti és hajózási sávok kapacitásával és még sok mással kapcsolatos, példátlanul összetett adattömegek kezelésével átalakítja ellátási láncainkat.

Autóipar

A QC közelebb visz az életképes autonóm jármű-ökoszisztémához. A kvantumalapú mesterséges intelligencia és a gépi tanulás felgyorsítja a szükséges algoritmusok tanulási folyamatát. A képosztályozás és a 3D objektumok rögzítése szintén profitál a QC-ből.

Szimuláció

A QC új képességeket biztosít a valóság modellezésében. Jobban előre látjuk majd a szélsőséges időjárási eseményeket, feltérképezzük az éghajlatváltozást, megjósoljuk, hogy a városfejlesztés hogyan befolyásolja a kibocsátást, előrejelezzük a népességnövekedést - és még sok minden mást.

Ahogy a minőségellenőrzés egyre nagyobb teret nyer, természetesen számos ágazatban megjelenik majd a felhasználási esetek száma.

ÚJONNAN MEGJELENŐ TECHNOLÓGIA

A QC játékosai most

Számos hardvergyártó készíti saját kvantumszámítógépeit, amelyek különböző fizikai jelenségeket használnak, és mind az univerzális, kapualapú megközelítéseket, mind a kvantum-annealing megközelítést alkalmazzák. Ezek közé tartoznak:

A hardvergyártókon kívül, amelyek jellemzően mindegyike saját szoftverkönyvtárakat kínál (pl. IBM qiskit, D-Wave Ocean, Google Cirq), számos tiszta kvantumszoftver-gyártó is létezik. Köztük:

QC piaci növekedés

2016

$89M

globális kvantumszámítástechnikai piac

2025

$949M

globális kvantumszámítástechnikai piac (előrejelzés)

30% CAGR 2017 és 2025 között

Nagy lehetőségek előttünk

A kvantumszámítógépek bizonyos feladatokra alkalmasak lesznek. A közeljövőben a kvantumszámítógépek kiemelkedő teljesítményt fognak nyújtani az összetett numerikus problémák megoldásában, és a meglévő klasszikus számítógépekkel együtt fognak működni, hogy kvantum-klasszikus hibrid rendszereket tegyenek lehetővé. A hibriditás azért fontos, mert míg a klasszikus számítástechnika egyszerű kimeneteket szolgáltat, addig a kvantumszámítógépek valószínűségi eloszlásokban adják a kimeneteket, és olyan válaszhalmazokat generálnak, amelyeket aztán a klasszikus számítógépek segítségével le kell szűkíteni. A jövőre nézve a QC-nek megvan a lehetősége arra, hogy átalakító hatással legyen. Bizonyos területeken óriási előrelépéseket fog eredményezni, lehetővé téve számunkra, hogy forradalmian új gyógyszereket hozzunk létre, hogy optimalizáljuk pénzügyi piacaink működését, hogy biztosítsuk hálózatainkat, hogy megértsük a komplex rendszereket, a földi ökológiától kezdve a globális kereslet és kínálat hálózatáig - és még sok minden mást. Ami a maximális hatását illeti, a horizont nyitott. Társadalmi és gazdasági szinten jelentős változások vannak kilátásban: A klasszikus számítástechnikához hasonlóan a QC is átfogóan átalakítja majd az életmódunkat. De a történet még megírásra vár, és a következő évtizedek tanúi lesznek annak, hogy legjobb elméink mire képesek ezzel a hatalmas új eszközzel.