Skip to main content

Semnale

Calcul cuantic

Următoarea generație de tehnologie de calcul

Apariția calculului cuantic marchează următoarea mare transformare tehnologică, determinând schimbări economice și sociale semnificative. Iată un scurt ghid despre ceea ce se așteaptă de la tehnologie.

Noua generație de tehnologie de calcul

Calculul cuantic (QC) reprezintă următoarea generație de tehnologie de calcul, valorificând fizica cuantică.

În timp ce calculul clasic se bazează pe bit, unitatea sa de bază, calculul cuantic se bazează pe qubit - sau pe orice valoare între qubituri, sau orice combinație a acestora.

În timp ce un bit există conform unei logici binare - este fie 0, fie 1, oprit sau 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”.

„Entanglementul” este un alt fenomen fundamental care conferă QC puterea. Atunci când două sau mai multe qubiți sunt entanglați, aceștia acționează ca un singur sistem, la fel ca rotițele angrenate într-o cutie de viteze, astfel încât o modificare a unui qubit le modifică pe toate celelalte cu care este entanglat. Aceasta înseamnă că o singură operațiune poate afecta simultan stările mai multor qubiți.

Concluzia este un nou tip de calculatoare mult mai 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 calculul clasic le poate rezolva.

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

O „stare” în acest context înseamnă o posibilă soluție la o problemă dată. Cele mai multe soluții posibile vor fi greșite, așa că cu cât putem explora mai multe opțiuni, cu atât sunt mai mari șansele noastre de a găsi cea mai bună soluție.

Două arhitecturi, două intervale de timp

Annealerele cuantice sunt specializate pentru sarcini de optimizare. O companie aeriană ar putea utiliza un astfel de computer pentru a elabora un program optim al rutelor aeronavelor, care să minimizeze consumul de combustibil și să asigure respectarea tuturor programelor pasagerilor.

Acestea vor începe să aibă un impact comercial în 2-5 ani

 

Calculatoarele cuantice bazate pe porți sunt universale, ceea ce înseamnă că vor putea rezolva o gamă largă de probleme. În viitor, o companie farmaceutică va folosi un sistem pentru a simula noi compuși farmaceutici, 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 superconductori

Una dintre platformele tehnologice de vârf pentru dezvoltarea computerelor cuantice. IBM, Google, D-Wave și alții îl pun la lucru. Sistemele supraconductoare funcționează de obicei la temperaturi extrem de scăzute, aproape de zero absolut, pentru a crea condițiile optime pentru calculul cuantic.

Rețele cuantice

Rețelele cuantice permit transmiterea informațiilor cuantice entanglate prin canalele de comunicare. Ele sunt una dintre tehnologiile care permit funcționarea 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 ce implică elemente ale mecanicii cuantice. Permite celor două părți să genereze o cheie secretă aleatorie comună, cunoscută doar de ele, care poate fi folosită ulterior pentru a cripta și decripta mesaje. Acesta promite să fie invulnerabil la atacuri de tip "snooping" sau "man-in-the-middle".

Senzor cuantic

Un dispozitiv care funcționează prin detectarea variațiilor microgravitației utilizând principiile fizicii cuantice, care se bazează pe manipularea naturii la nivel submolecular. Detectarea cuantică folosește proprietăți ale mecanicii cuantice, cum ar fi încurcarea cuantică, interferența cuantică și comprimarea stării cuantice pentru a depăși limitele actuale ale tehnologiei senzorilor și a evita principiul incertitudinii.

Qubiți ionici cuantici

Capcanele ionice cuantice reprezintă o altă platformă tehnologică folosită pentru a dezvolta computere cuantice. Aceasta implică utilizarea forței electromagnetice pentru a confina ionii în spațiul liber. lonQ este principalul promotor al acestei abordări.

Arhitecturi de recoacere

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

Arhitecturi de gateway

Arhitecturile de porți utilizează echivalentul cuantic al porților logice care servesc drept blocuri fundamentale pentru unitățile centrale de procesare pe bază de siliciu. Având în vedere acest fapt, un computer cuantic bazat pe porți poate, cel puțin în teorie, să rezolve același set de probleme ca un computer tradițional.

Fotonică

Sistemele fotonice se bazează pe impulsuri de lumină și polarizarea luminii pentru a crea qubiții lor. Spre deosebire de majoritatea celorlalte tehnologii qubit, acestea au avantajul de a funcționa la temperatura camerei, dar tind să funcționeze mult mai lent decât qubiții supraconductori. Xanadu este compania de top care adoptă o abordare bazată pe fotoni pentru QC.

Criptografia post-cuantică (PQC)

Criptografia post-cuantică este termenul colectiv pentru noile metode 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 controlul calității nu dețin propriile computere. Ideea computerelor cuantice on-premises nu este practică în prezent, din mai multe motive esențiale:

  • Dispozitivele cuantice sunt costisitoare
  • Funcționarea lor este complexă și, prin urmare, costisitoare
  • Având în vedere cât de des dispozitivele cuantice primesc actualizări de la producători, un dispozitiv individual ar become rapid învechit.

În schimb, utilizatorii finali ai calculatoarelor cuantice le accesează prin servicii cloud.

În prezent, există două abordări pentru furnizarea de QC în cloud:

Avantaje și dezavantaje ale celor două abordări

Cloud proprietar

În această abordare, furnizorii oferă access la propriile dispozitive QC prin intermediul serviciilor lor cloud. IBM este cea mai importantă companie care urmează această abordare, oferind QC prin rețeaua IBM Q.

Puncte forte

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

Puncte slabe

Selecție limitată de opțiuni back-end pentru calcul cuantic

Potențial pentru modele comerciale mai restrictive

Pericolul de a deveni dependent de un furnizor

Cloud Public

În această abordare, serviciile cloud de top oferă access la dispozitivele QC ale furnizorilor terți. Amazon Braket, de exemplu, oferă access la D-Wave, rigetti, Oxford Quantum Circuits, IonQ și Xanadu, cu altele în pregătire. Microsoft Azure Quantum oferă acces la Quantinuum, IonQ, Quantum Circuits Inc, rigetti, PASQAL, 1QBit, Microsoft QIO și Toshiba SQBM+.

Puncte forte

Folosește serviciile existente de access și facturare ale furnizorului de cloud, precum și servicii partajate similare

Oferă o rampă de Access facilă la calculatoarele cuantice, de obicei cu un model „plătești pe măsură ce folosești”.

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

Puncte slabe

Tendința spre o latență mai mare în Access dispozitivului cuantic din cauza drumurilor dus-întors în rețea și a cozilor de așteptare

Aceasta, la rândul său, creează probleme în aplicații precum detectarea fraudei și tranzacționarea de înaltă frecvență, care au cerințe de timp real sau de latență scăzută, până la punctul în care astfel de aplicații ar putea să nu fie practice

 

 

În viitor, furnizorii de cloud ar putea găzdui dispozitive cuantice în centrele lor de date alături de hardware-ul tradițional CPU și GPU, minimizând astfel efectele de latență și permițând o nouă clasă de aplicații hibride cuantic-clasice cu randament ridicat și latență scăzută, cum ar fi detectarea fraudei 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 de top de QC oferă, de obicei, propriile API-uri pentru a sprijini dispozitivele sau serviciile sale.

Anumiți furnizori, precum IonQ, au ales să susțină API-urile altor furnizori în loc să-și dezvolte propriile API-uri proprietare. IonQ, de exemplu, suportă Qiskit de la IBM și Cirq. Această abordare permite algoritmilor cuantici scriși în Qiskit pentru o mașină cuantică IBM, de exemplu, să fie mai ușor transferați pentru a rula pe un dispozitiv IonQ.

În viitor, un număr mic de API-uri standardizate va fi furnizat sau impus de marii furnizori de tehnologie/cloud (IBM/Amazon/Microsoft), la care furnizorii de hardware pentru calcul cuantic vor construi.

Aplicații în domeniul serviciilor financiare

Pe măsură ce aspiră să devină lideri în QC, instituțiile financiare vor descoperi probabil că dezvoltarea și retenția competențelor și talentelor vor deveni un câmp de luptă cheie. Liderii în aplicarea tehnologiilor cuantice vor observa o creștere semnificativă a securității, eficienței operaționale și eficacității produselor, în timp ce cei care rămân în urmă vor constata o erodare a acestor aspecte ale afacerii lor.

Deși nu ne așteptăm ca computerele cuantice să fie suficient de puternice pentru a decripta criptosistemele bazate pe PKI de astăzi în următorii 10-12 ani, există o muncă semnificativă de făcut pentru a le pregăti să contracareze amenințările cuantice.

Un efect catalizator în alte sectoare

QC are aplicații cu potențial transformator într-o varietate de alte domenii.

Descoperirea medicamentelor

Calculul cuantic va îmbunătăți procesul de descoperire a medicamentelor prin accelerarea identificării și simulării moleculelor. Acesta va muta experimentele din laboratoarele umede în computere, iar cercetătorii vor avea access la combinații chimice pe care calculul convențional le-ar concepe în decenii.

Securitatea cibernetică

Calculatoarele cuantice amenință coloana vertebrală a securității rețelelor de astăzi - criptografia cu cheie publică RSA. Însă tehnologia cuantică va permite, de asemenea, forme noi și chiar mai sigure de comunicare.

Logistică

QC 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 de transport maritim și altele.

Automotive

QC va împinge mai aproape de un ecosistem viabil de vehicule autonome. Inteligența artificială și învățarea automată alimentate de tehnologia cuantică vor accelera procesul de învățare al algoritmilor necesari. Clasificarea imaginilor și detectarea obiectelor 3D vor beneficia, de asemenea, de QC.

Simulare

QC va oferi noi capabilități în modelarea realității. Vom anticipa mai bine evenimentele meteorologice extreme, vom cartografia schimbările climatice, vom prezice cum dezvoltarea urbană va afecta emisiile, vom prognoza creșterea populației — și multe altele.

Pe măsură ce QC câștigă popularitate, vom observa în mod firesc apariția cazurilor de utilizare în diverse sectoare.

TEHNOLOGIE EMERGENTĂ

Jucătorii din QC chiar acum

Diferite companii de hardware își dezvoltă propriile computere cuantice, utilizând diverse fenomene fizice subiacente și implementând atât metode universale bazate pe porți, cât și metoda de recoacere cuantică. Acestea includ:

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

Creșterea pieței de marketing QC

2016

89 milioane USD

piața globală a calculului cuantic

2025

$949 milioane

piața globală a calculului cuantic (estimată)

Creștere anuală compusă de 30% între 2017 și 2025

Un mare potențial în față.

Calculatoarele cuantice vor fi adecvate 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 sistemele hibride cuantico-clasice. Hibriditatea este importantă, deoarece, în timp ce calculul clasic oferă rezultate clare și precise, computerele cuantice furnizează rezultate sub formă de distribuții de probabilitate, generând seturi de răspunsuri care pot necesita ulterior rafinarea cu ajutorul calculatoarelor clasice. Într-un viitor mai îndepărtat, QC are potențialul de a fi revoluționar. Va aduce îmbunătățiri semnificative în anumite domenii, oferindu-ne resursele necesare pentru a crea medicamente revoluționare noi, pentru a optimiza funcționarea piețelor financiare, pentru a securiza rețelele noastre, pentru a înțelege sistemele complexe, de la ecologiile pământului la rețelele globale de aprovizionare și cerere - și multe altele. În ceea ce privește efectele sale maxime, orizontul este deschis. Schimbări semnificative sunt iminente la nivel social și economic: La fel ca și calculul clasic, calculul cuantic va transforma complet modul în care trăim. Însă povestea rămâne de scris, iar următoarele decenii vor fi martore la ceea ce cele mai strălucite minți ale noastre pot realiza cu acest instrument nou și puternic.