Skip to main content

Сигналы

Квантовые вычисления

Следующее поколение вычислительных технологий

Появление квантовых вычислений представляет собой следующую крупную технологическую трансформацию, которая приведет к всеобъемлющим экономическим и социальным изменениям. Вот краткое описание того, что ожидается от этой технологии.

Следующее поколение вычислительных технологий

Квантовые вычисления (QC) — это следующее поколение вычислительных технологий, основанное на квантовой физике.

В то время как классические вычисления опираются на бит, его базовую единицу, квантовые вычисления опираются на кубит — или на любое значение между кубитами, или на любую их комбинацию.

В то время как бит существует согласно бинарной логике — он либо 0, либо 1, выключен или включен — кубит может существовать одновременно и в состоянии 0, и в состоянии 1, в явлении, известном как «суперпозиция».

«Запутанность» — ещё одно фундаментальное явление, которое придаёт контролю качества силы. Когда два или более кубитов запутаны, они действуют как единая система, подобно шестерёнкам, запутанным в коробке передач, так что изменение одного кубита меняет все остальные, с которыми он переплетен. Это означает, что одна операция может одновременно влиять на состояния многих кубитов.

В итоге появился поразительно более мощный новый тип вычислений.

К 2030 году в мире может насчитываться от 2000 до 5000 квантовых компьютеров. В 2018 году их было менее десятка.

Компьютеры, которые в разы мощнее

1. Квантовый компьютер способен решить задачу, для решения которой потребовался бы кластер из 512 графических процессоров.

Квантово-компьютерные вычисления обладают потенциалом для решения задач, которые в разы сложнее тех, которые могут быть решены с помощью классических вычислений.

Квантовый компьютер на 1000 кубит (который, как прогнозируется, появится через 2-3 года) сможет одновременно работать с 10³⁰¹ (то есть 1 с 301 нулём) разными так называемыми «состояниями информации».

«Состояние» в данном контексте означает одно из возможных решений заданной задачи. Большинство возможных решений окажутся ошибочными, поэтому чем больше состояний мы изучим, тем выше наши шансы найти лучшее решение.

Две архитектуры, два временных интервала

Квантовые отжигатели специализируются для задач оптимизации. Авиакомпания может использовать такой компьютер для подготовки оптимального расписания маршрутов воздушных судов, минимизирующего расход топлива и при этом обеспечивая соблюдение всех пассажирских расписаний.

Через 2-5 лет они начнут оказывать коммерческое влияние

 

Квантовые компьютеры на основе вентилей универсальны, что означает, что они смогут вычислять широкий спектр задач. В будущем фармацевтическая компания будет использовать его для моделирования новых лекарственных соединений, исследуя эффекты миллионов из них без необходимости их синтезировать и тестировать.

Через 7-10 лет они начнут оказывать коммерческий успех

Квантовые технологии

Сверхпроводящие кубиты

Одна из ведущих технологических платформ для развития квантовых компьютеров. IBM, Google, D-Wave и другие используют это на практике. Сверхпроводящие системы обычно работают при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю, чтобы создать подходящие условия для квантовых вычислений.

Квантовые сети

Квантовые сети позволяют передавать квантовую запутанную информацию по каналам связи. Это одна из технологий, лежащих в основе QKD, которая обеспечит как повышение безопасности, так и увеличение пропускной способности.

Квантовое распределение ключей (КДК)

Безопасный метод коммуникации, реализующий криптографический протокол, включающий компоненты квантовой механики. Он позволяет двум сторонам создавать общий случайный секретный ключ, известный только им, который затем можно использовать для шифрования и расшифровки сообщений. Он несёт обещание быть неуязвимым для шпионских или «человек посередине».

Квантовый датчик

Устройство, которое работает, обнаруживая вариации в микрогравитации, используя принципы квантовой физики, основанную на манипуляции природой на субмолекулярном уровне. Квантовое ощущение использует свойства квантовой механики, такие как квантовая запутанность, квантовая интерференция и сжатие квантового состояния, чтобы превзойти ограничения тока в сенсорной технологии и избежать принципа неопределённости.

Квантовые ионные кубиты

Квантовые ионные ловушки — ещё одна технологическая платформа, используемая для разработки квантовых компьютеров. Он включает использование электрическо-магнитной силы для удержания ионов в свободном пространстве. lonQ является ведущим сторонником этого подхода.

Архитектура отжига

Архитектура, основанная на отжиге, является более простой и базируется на идее нахождения состояния с наименьшей энергией в квантовой системе. Это состояние с наименьшей энергией соответствует оптимальному решению задачи оптимизации.

Архитектуры затворов

Архитектуры вентилей используют квантовый эквивалент логических элементов, которые служат строительными блоками для кремниевых центральных процессоров. Исходя из этого, квантовый компьютер на основе вентилей теоретически может вычислять тот же набор задач, что и традиционный компьютер.

Фотоника

Фотонные системы полагаются на световые импульсы и поляризацию света для создания своих кубитов. В отличие от большинства других кубитных технологий, они работают при комнатной температуре, но обычно работают гораздо медленнее, чем сверхпроводящие кубиты. Xanadu — ведущая компания, реализующая фотонный подход к контролю качества.

Постквантовая криптография (PQC)

Постквантовая криптография — это совокупный термин для новых подходов к шифрованию с открытым ключом, устойчивых к квантовым компьютерам. Процесс выбора алгоритмов PQC управляется Национальным институтом стандартов и технологий (NIST). Большинство крупных организаций следуют примеру NIST.

Квантовые вычисления в облаке

Аппаратное обеспечение

Обычно компании, которым нужен контроль качества, не владеют собственными компьютерами. Идея локальных квантовых компьютеров в настоящее время непрактична по ряду ключевых причин:

  • Квантовые устройства дорогие
  • Их работа сложна и, следовательно, дорога
  • Учитывая, как часто производители модернизируют квантовые устройства, одно такое устройство быстро устареет.

Вместо этого конечные пользователи квантовых компьютеров получают доступ к ним через облачные сервисы.

В настоящее время существует два подхода к облачному обеспечению качества:

Плюсы и минусы двух подходов

Проприетарное облако

В этом подходе провайдеры предоставляют доступ к своим собственным устройствам контроля качества через собственные облачные сервисы. IBM — самая важная компания, придерживающаяся этого подхода, предлагающая контроль качества через свою сеть IBM Q.

Сильные стороны

Более тесная интеграция между существующей облачной платформой провайдера и квантовой платформой. Снижение сетевой задержки между классической облачной платформой и квантовой, что станет преимуществом для приложений с низкой задержкой (например, обнаружения мошенничества)

Слабые места

Ограниченный выбор вариантов бэкэнда для квантовых вычислений.

Потенциал более ограничительных коммерческих моделей

Опасность зависимости от поставщика

Публичное облако

В этом подходе ведущие облачные сервисы предоставляют доступ к устройствам контроля качества сторонних поставщиков. Amazon Braket, например, предлагает доступ к D-Wave, rigetti, Oxford Quantum Circuits, IonQ и Xanadu, а также в разработке новых проектов. Microsoft Azure Quantum предоставляет доступ к Quantinuum, IonQ, Quantum Circuits Inc, rigetti, PASQAL, 1QBit, Microsoft QIO и Toshiba SQBM+.

Сильные стороны

Использует существующие сервисы доступа и выставления счетов облачных провайдеров, а также аналогичные общие сервисы

Обеспечивает простой вход к квантовым компьютерам, обычно по модели «плати по мере использования»

Предоставляет доступ к широкому спектру квантовых компьютеров, позволяя сравнивать платформы и определять подходящее устройство для рассматриваемой задачи

Слабые места

Тенденция к увеличению задержки при доступе к квантовому устройству обусловлена сетевыми запросами и очередями.

Это, в свою очередь, создаёт проблемы в приложениях, таких как обнаружение мошенничества и высокочастотная торговля, с требованиями к реальному времени или низкой задержке, до такой степени, что такие приложения могут быть непрактичными

 

 

В будущем облачные провайдеры смогут размещать квантовые устройства в своих дата-центрах наряду с традиционным ЦПУ и GPU, минимизируя эффекты задержки и открывая новый класс высокопроизводительных, низкозадерживаемых квантово-классических гибридных приложений, таких как обнаружение мошенничества и высокочастотная торговля.

Программное обеспечение/API

API и связанные с ними SDK, как правило, имеют открытый исходный код и, за редкими исключениями, написаны на языке программирования Python.

Каждый ведущий поставщик качества обычно предоставляет собственные API для поддержки своих устройств или сервисов.

Некоторые поставщики, такие как IonQ, решили поддерживать API других поставщиков, вместо того чтобы разрабатывать собственные проприетарные API. Например, IonQ поддерживает Qiskit от IBM и Cirq. Такой подход позволяет, например, легче адаптировать квантовые алгоритмы, написанные на Qiskit для квантовой машины IBM, для работы на устройстве IonQ.

В будущем появится небольшое количество стандартизированных API, предоставляемых или обязательных крупными поставщиками технологий и облачных технологий (IBM/Amazon/Microsoft), к которым будут строить производители оборудования для квантовых вычислений.

Применение в сфере финансовых услуг

Стремясь к лидерству в QC, финансовые учреждения, вероятно, обнажат, что развитие и удержание навыков и удержания талантов станет ключевым полем битвы. Лидеры в области применения квантовых технологий увидят значительный рост своей безопасности, операционной эффективности и результативности продукта, тогда как отстающие будут испытывать подрыв этих аспектов бизнеса.

Хотя мы не ожидаем, что квантовые компьютеры будут достаточно мощными для расшифровки современных криптосистем на базе PKI как минимум в течение 10-12 лет, предстоит провести значительную работу по их подготовке к противодействию квантовым угрозам.

Катализирующий эффект в других секторах

QC имеет потенциально трансформирующие применения в ряде других областей.

Разработка лекарств

Квантовые вычисления улучшат процесс открытия лекарств, ускоряя идентификацию и моделирование молекул. Это позволит перенести эксперименты из влажных лабораторий в компьютеры, а исследователи получат доступ к химическим сочетаниям, которые традиционные вычисления разрабатывали бы десятилетиями.

Кибербезопасность

Квантовые компьютеры действительно угрожают системе безопасности современных сетей — криптографии с открытым ключом RSA. Но квантовая технология также обеспечит новые и ещё более безопасные формы коммуникации.

Логистика

QC преобразит наши цепочки поставок, обрабатывая беспрецедентно сложные массы данных, связанных с производственными мощностями, географией и инфраструктурой, погодными условиями, маршрутами, пропускной способностью железных дорог и судоходных путей и не только.

Автомобильная промышленность

QC приблизится к жизнеспособной экосистеме автономных транспортных средств. Квантовый ИИ и машинное обучение ускорят процесс обучения необходимым алгоритмам. Классификация изображений и задержание 3D-объектов также получат выгоду от контроля качества.

Симуляция

QC предоставит новые возможности в моделировании реальности. Мы лучше предвидим экстремальные погодные явления, будем отслеживать изменение климата, прогнозировать, как городское развитие повлияет на выбросы, прогнозировать рост населения — и многое другое.

По мере того как QC набирает обороты, естественно, мы увидим появление сценариев использования в различных секторах.

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Игроки в QC сейчас

Различные производители оборудования создают собственные квантовые компьютеры, используя целый ряд различных физических явлений и применяя как универсальные подходы на основе логических вентилей, так и подход квантового отжига. К ним относятся:

Помимо производителей аппаратного обеспечения, каждый из которых обычно предлагает собственные программные библиотеки (например, IBM qiskit, D-Wave Ocean, Google Cirq), существует также ряд чисто функциональных поставщиков квантового программного обеспечения. Среди них:

Рост рынка контроля качества

2016

89 миллионов долларов

глобальный рынок квантовых вычислений

2025

949 млн долларов

Глобальный рынок квантовых вычислений (прогнозируемый)

30% CAGR с 2017 по 2025 год

Впереди огромный потенциал.

Квантовые компьютеры подойдут для решения определённых задач. В ближайшей перспективе квантовые компьютеры будут превосходно справляться с решением сложных численных задач и будут сосуществовать с существующими классическими компьютерами, что позволит создавать гибридные квантово-классические системы. Гибридность важна, потому что, в то время как классические вычисления дают однозначные результаты, квантовые компьютеры выдают результаты в виде вероятностных распределений, генерируя наборы ответов, которые затем могут потребовать отбора с помощью классических компьютеров. В более отдаленной перспективе контроль качества имеет потенциал для кардинальных преобразований. Это позволит добиться огромных успехов в определенных сферах, предоставив нам средства для создания революционно новых лекарств, оптимизации работы наших финансовых рынков, обеспечения безопасности наших сетей, понимания сложных систем, от экологии Земли до глобальных сетей спроса и предложения, и многого другого. Что касается максимального эффекта, то горизонт открыт. В социальной и экономической сферах грядут значительные изменения: подобно классическим вычислениям, квантовые вычисления окажут всестороннее преобразующее воздействие на нашу жизнь. Но история еще не написана, и следующие несколько десятилетий станут свидетелями того, на что способны наши лучшие умы с помощью этого мощного нового инструмента.