Skip to main content

Signals

Calcul cuantic

Următoarea generație de tehnologie de calcul

Apariția calculului cuantic reprezintă următoarea transformare tehnologică majoră, determinând schimbări economice și sociale ample. Iată o scurtă introducere în ceea ce privește așteptările de la tehnologie.

Următoarea generație de tehnologie informatică

Calculul cuantic (QC) este următoarea generație de tehnologie de calcul, care valorifică fizica cuantică.

În timp ce informatica clasică se bazează pe bit, unitatea sa de bază, informatica cuantică se bazează pe qubit - sau pe orice valoare între qubiți sau pe orice combinație a acestora.

În timp ce un bit există conform unei logici binare - este fie 0, fie 1, oprit, fie pornit - un qubit poate exista atât în starea 0, cât și în starea 1 în același timp, într-un fenomen cunoscut sub numele de „superpoziție”.

„Încurcarea” este un alt fenomen fundamental care îi conferă QC puterea. Când doi sau mai mulți qubiți sunt înlănțuiți, aceștia acționează ca un singur sistem, la fel ca roțile dințate înlănțuite într-o cutie de viteze, astfel încât o modificare a unui qubit îi schimbă pe toți ceilalți cu care este înlănțuit. Asta înseamnă că o singură operațiune poate afecta simultan stările mai multor qubiți.

Rezultatul este un nou tip de calcul surprinzător de puternic.

Până în 2030, ar putea exista între 2.000 și 5.000 de computere cuantice la nivel global. Au fost mai puțin de o duzină în 2018.

Calculatoare care sunt exponențial mai puternice

Un computer cuantic poate rezolva o problemă care ar necesita un cluster de 512 GPU-uri

QC are potențialul de a rezolva probleme exponențial mai complexe decât cele pe care le poate rezolva informatica clasică.

Un computer cuantic de 1.000 de qubiți (care se preconizează că va sosi în 2-3 ani) ar putea funcționa simultan cu 10³⁰¹ (adică un 1 urmat de 301 zerouri) așa-numite „stări de informație” diferite.

În acest context, un „stat” înseamnă o soluție posibilă la o anumită problemă. Majoritatea soluțiilor posibile vor fi greșite, așa că, cu cât putem explora mai multe stări, cu atât sunt mai mari șansele noastre de a găsi cea mai bună soluție.

Două arhitecturi, două cadre temporale

Recoacerile cuantice sunt specializate în sarcini de optimizare. O companie aeriană ar putea folosi un astfel de computer pentru a pregăti un program optim al rutelor aeronavelor, unul care să minimizeze consumul de combustibil, asigurând în același timp respectarea tuturor programurilor pasagerilor.

Vor începe să aibă un impact comercial în 2-5 ani

 

Calculatoarele cuantice bazate pe porți sunt universale, ceea ce înseamnă că vor putea calcula o gamă largă de probleme. În viitor, o companie farmaceutică va folosi unul pentru a simula noi compuși medicamentos, explorând efectele a milioane dintre aceștia fără a fi nevoie să îi sintetizeze și să îi testeze.

Vor începe să aibă un impact comercial în 7-10 ani

Tehnologii cuantice

Qubiți supraconductori

Una dintre principalele platforme tehnologice pentru dezvoltarea computerelor cuantice. IBM, Google, D-Wave și alții o pun în practică. Sistemele supraconductoare funcționează de obicei la temperaturi foarte scăzute, apropiate de zero absolut, pentru a crea condițiile potrivite pentru calculul cuantic.

Rețele cuantice

Rețelele cuantice permit transmiterea informațiilor înlănțuite cuantice prin canalele de comunicație. Acestea sunt una dintre tehnologiile care stau la baza QKD și vor permite atât o securitate îmbunătățită, cât și o lățime de bandă crescută.

Distribuția cheilor cuantice (QKD)

O metodă de comunicare securizată care implementează un protocol criptografic care implică componente ale mecanicii cuantice. Permite celor două părți să producă o cheie secretă aleatorie partajată, cunoscută doar de ele, o cheie care poate fi apoi utilizată pentru criptarea și decriptarea mesajelor. Promite să fie invulnerabil la atacuri de spionaj sau de tip „man-in-the-middle”.

Senzor cuantic

Un dispozitiv care funcționează prin detectarea variațiilor microgravitației folosind principiile fizicii cuantice, care se bazează pe manipularea naturii la nivel submolecular. Sensiunea cuantică utilizează proprietăți ale mecanicii cuantice, cum ar fi inseparabilitatea cuantică, interferența cuantică și comprimarea stărilor cuantice, pentru a depăși limitele actuale din tehnologia senzorilor și a evita principiul incertitudinii.

Qubiți de ioni cuantici

Capcanele de ioni cuantici sunt o altă platformă tehnologică utilizată pentru dezvoltarea computerelor cuantice. Implică utilizarea forței electromagnetice pentru a limita ionii în spațiu liber. lonQ este principalul susținător al acestei abordări.

Arhitecturi de recoacere

O arhitectură de recoacere este una mai simplă, bazată pe ideea de a găsi starea cu cea mai scăzută energie în sistemul cuantic. Această stare cu cea mai joasă energie corespunde soluției optime a unei probleme de optimizare.

Arhitecturi de porți

Arhitecturile de porți utilizează echivalentul cuantic al porților logice care servesc drept elemente de bază ale unităților centrale de procesare pe bază de siliciu. Având în vedere acest fapt, un computer cuantic bazat pe porți poate, cel puțin în teorie, calcula același set de probleme ca un computer tradițional.

Fotonică

Sistemele fotonice se bazează pe impulsuri de lumină și polarizarea luminii pentru a-și crea qubiții. Spre deosebire de majoritatea celorlalte tehnologii cu qubiți, acestea au avantajul de a funcționa la temperatura camerei, dar tind să funcționeze mult mai lent decât qubiții supraconductori. Xanadu este compania lider care adoptă o abordare fotonică pentru controlul calității.

Criptografie post-cuantică (PQC)

Criptografia post-cuantică este termenul colectiv pentru noile abordări de criptare cu cheie publică care sunt rezistente la computerele cuantice. Procesul de selectare a algoritmilor PQC este gestionat de Institutul Național de Standarde și Tehnologie (NIST). Majoritatea organizațiilor mari urmează exemplul NIST.

Calculul cuantic în cloud

Hardware

De obicei, companiile care au nevoie de QC nu dețin propriile computere. Ideea unor computere cuantice locale nu este practică în prezent, din mai multe motive cheie:

  • Dispozitivele cuantice sunt scumpe
  • Funcționarea lor este complexă și, prin urmare, costisitoare
  • Având în vedere cât de des primesc upgrade-uri dispozitivele cuantice de la producătorii lor, unul individual ar deveni rapid învechit.

În schimb, utilizatorii finali ai computerelor cuantice le accesează prin intermediul serviciilor cloud.

În prezent, există două abordări pentru furnizarea de servicii de control al calității în cloud:

Pro și contra ale celor două abordări

Cloud proprietar

În această abordare, furnizorii oferă acces la propriile dispozitive de control al calității prin intermediul propriilor servicii cloud. IBM este cea mai importantă companie care urmează această abordare, oferind QC prin intermediul rețelei sale IBM Q Network.

Puncte forte

Integrare mai strânsă între platforma cloud existentă a furnizorului și platforma cuantică. Latență redusă a rețelei între o platformă cloud clasică și platforma cuantică, ceea ce va fi un avantaj pentru aplicațiile cu latență redusă (cum ar fi detectarea fraudelor).

Puncte slabe

Selecție limitată de opțiuni backend pentru calculul cuantic

Potențialul pentru modele comerciale mai restrictive

Pericolul blocării furnizorului

Cloud public

În această abordare, principalele servicii cloud oferă acces la dispozitivele de control al calității ale furnizorilor terți. Amazon Braket, de exemplu, oferă acces la D-Wave, rigetti, Oxford Quantum Circuits, IonQ și Xanadu, urmând să fie lansate și altele. Microsoft Azure Quantum oferă acces la Quantinuum, IonQ, Quantum Circuits Inc, rigetti, PASQAL, 1QBit, Microsoft QIO și Toshiba SQBM+.

Puncte forte

Utilizează serviciile de acces și facturare existente ale furnizorului de cloud, precum și servicii partajate similare

Oferă o rampă de acces ușoară pentru accesarea computerelor cuantice, de obicei cu un model de tip „plată pe măsură ce utilizezi”.

Oferă acces la o gamă largă de computere cuantice, permițând compararea între platforme și identificarea dispozitivului potrivit pentru problema în cauză

Puncte slabe

Tendința către o latență mai mare în accesarea dispozitivului cuantic din cauza proceselor de dus-întors ale rețelei și a așteptărilor.

Aceasta, la rândul său, creează probleme în aplicații precum detectarea fraudelor și tranzacționarea de înaltă frecvență, care au cerințe în timp real sau latență redusă, până în punctul în care astfel de aplicații pot fi ineficiente.

 

 

În viitor, furnizorii de cloud ar putea găzdui dispozitive cuantice în centrele lor de date alături de hardware-ul lor tradițional de CPU și GPU, reducând astfel la minimum efectele de latență și permițând o nouă clasă de aplicații hibride cuantice-clasice de mare randament și latență redusă, cum ar fi detectarea fraudelor și tranzacționarea de înaltă frecvență.

Software/API-uri

API-urile și SDK-urile asociate tind să fie open-source și, cu câteva excepții, scrise în limbajul de programare Python.

Fiecare furnizor important de QC oferă de obicei propriile API-uri pentru a-și susține dispozitivele sau serviciile.

Unii furnizori, cum ar fi IonQ, au decis să ofere suport pentru API-urile altor furnizori, în loc să dezvolte propriile API-uri. IonQ, de exemplu, este compatibil cu Qiskit de la IBM și Cirq. Această abordare permite ca algoritmii cuantici scriși în Qiskit pentru o mașină cuantică IBM, de exemplu, să fie portați mai ușor pentru a rula pe un dispozitiv IonQ.

În viitor, vom vedea un număr mic de API-uri standardizate, furnizate sau impuse de marii furnizori de tehnologie/cloud (IBM/Amazon/Microsoft), pe baza cărora vor construi furnizorii de hardware de calcul cuantic.

Aplicații în serviciile financiare

Pe măsură ce se străduiesc să obțină poziții de lider în domeniul calității calității, instituțiile financiare vor constata probabil că dezvoltarea și retenția competențelor și talentelor vor deveni un câmp de luptă cheie. Liderii în aplicarea tehnologiilor cuantice vor vedea o creștere semnificativă a securității, eficienței operaționale și a eficacității produselor lor, în timp ce liderii în urmă vor vedea aceste aspecte ale afacerii lor erodate.

Deși nu ne așteptăm ca computerele cuantice să fie suficient de puternice pentru a decripta criptosistemele actuale bazate pe PKI timp de cel puțin 10-12 ani, mai sunt multe de făcut pentru a le pregăti să contracareze amenințările cuantice.

Un efect catalizator în alte sectoare

QC are aplicații potențial transformatoare într-o serie de alte domenii.

Descoperirea de medicamente

Calculul cuantic va îmbunătăți procesul de descoperire a medicamentelor prin accelerarea identificării și simulării moleculelor. Va muta experimentele din laboratoarele umede la computere, iar cercetătorii vor avea acces la combinații chimice pe care informatica convențională ar necesita decenii pentru a le concepe.

Securitate cibernetică

Calculatoarele cuantice amenință coloana vertebrală de securitate a rețelelor actuale - criptografia cu cheie publică RSA. Însă tehnologia cuantică va permite și forme de comunicare noi și mai sigure.

Logistică

Controlul calității va transforma lanțurile noastre de aprovizionare prin gestionarea unor mase de date extrem de complexe, legate de capacitatea de producție, geografie și infrastructură, modele meteorologice, rute, capacitatea căilor ferate și a rutelor de transport maritim și nu numai.

Automotive

QC va contribui la crearea unui ecosistem viabil de vehicule autonome. Inteligența artificială cu energie cuantică și învățarea automată vor accelera procesul de învățare a algoritmilor necesari. Clasificarea imaginilor și reținerea obiectelor 3D vor beneficia, de asemenea, de pe urma controlului calității.

simulare

QC va oferi noi capacități în modelarea realității. Vom putea anticipa mai bine evenimentele meteorologice extreme, vom reprezenta grafic schimbările climatice, vom prezice cum va afecta dezvoltarea urbană emisiile, vom prognoza creșterea populației - și multe altele.

Pe măsură ce QC câștigă teren, vom vedea în mod natural cazuri de utilizare în numeroase sectoare.

TEHNOLOGIE EMERGENTĂ

Jucătorii din QC chiar acum

O varietate de furnizori de hardware își creează propriile computere cuantice, utilizând o gamă largă de fenomene fizice subiacente și implementând atât abordări universale, bazate pe porți, cât și abordarea de recoacere cuantică. Acestea includ:

Pe lângă furnizorii de hardware, fiecare dintre aceștia oferind de obicei propriile biblioteci de software (de exemplu, IBM qiskit, D-Wave Ocean, Google Cirq), există și o serie de furnizori de software cuantic exclusivi. Printre acestea:

Creșterea pieței QC

2016

89 de milioane de dolari

piața globală de calcul cuantic

2025

949 milioane USD

piața globală a calculului cuantic (proiectată)

30% CAGR între 2017 și 2025

Un mare potențial în față

Calculatoarele cuantice vor fi potrivite pentru anumite sarcini. Pe termen scurt, computerele cuantice vor excela în rezolvarea problemelor numerice complexe și vor coexista cu computerele clasice existente pentru a permite sisteme hibride cuantice-clasice. Hibriditatea este importantă, deoarece, în timp ce calculul clasic oferă rezultate precise, computerele cuantice furnizează rezultate sub formă de distribuții de probabilitate, generând seturi de răspunsuri care pot necesita apoi o analiză mai amănunțită folosind computere clasice. În viitorul mai îndepărtat, QC are potențialul de a fi transformator. Va aduce îmbunătățiri uriașe în anumite domenii, oferindu-ne resursele necesare pentru a crea medicamente noi și revoluționare, pentru a optimiza funcționarea piețelor noastre financiare, pentru a ne securiza rețelele, pentru a înțelege sisteme complexe, de la ecologiile Pământului la rețelele globale de cerere și ofertă - și multe altele. În ceea ce privește efectele sale maxime, orizontul este deschis. Schimbări semnificative sunt la vedere la nivel social și economic: la fel ca informatica clasică, QC va fi complet transformatoare în ceea ce privește modul în care trăim. Dar povestea rămâne de scris, iar următoarele câteva decenii vor fi martorii a ceea ce pot face cele mai bune minți ale noastre cu acest instrument nou și puternic.