Skip to main content

Signali

Kvantno računarstvo

Sledeća generacija računarske tehnologije

Pojava kvantnog računarstva predstavlja sledeću veliku tehnološku transformaciju, koja pokreće sveobuhvatne ekonomske i društvene promene. Evo kratkog prajmera o tome šta se očekuje od tehnologije.

Sledeća generacija računarske tehnologije

Kvantno računarstvo (KC) je sledeća generacija računarske tehnologije koja koristi kvantnu fiziku.

Dok se klasično računarstvo oslanja na bit, njegovu osnovnu jedinicu, kvantno računanje se oslanja na kubit - ili bilo koju vrednost između kubita, ili bilo koju njihovu kombinaciju.

Dok bit postoji prema binarnoj logici – to je ili 0 ili 1, isključeno ili uključeno – kubit može postojati i u stanju 0 i u stanju 1 u isto vreme, u fenomenu poznatom kao "superpozicija".

„Upletenost“ je još jedan fundamentalni fenomen koji KC-u daje svoju moć. Kada se dva ili više kubita zaplete, oni deluju kao jedan sistem, slično kao zupčanici upleteni u menjač, tako da promena na jedan kubit menja sve ostale sa kojima je zapleten. To znači da jedna operacija može istovremeno uticati na stanja mnogih kubita.

Rezultat je zapanjujuće moćnija nova vrsta računarstva.

Do 2030. godine širom sveta moglo bi postojati između 2.000 i 5.000 kvantnih računara. Bilo ih je manje od desetak u 2018. godini.

Računari koji su eksponencijalno moćniji

1 Kvantni računar može da reši problem koji bi zahtevao skup od 512 GPU -a

KC ima potencijal da reši probleme koji su eksponencijalno složeniji od onih koje klasično računarstvo može da reši.

Kvantni računar od 1.000 kubita (za koji se predviđa da će stići za 2-3 godine) mogao bi da radi na 10³⁰¹ (to je 1 praćen 301 nulom) različitim takozvanim "stanjima informacija" istovremeno.

"Država" u ovom kontekstu znači jedno od mogućih rešenja datog problema. Većina mogućih rešenja će biti pogrešna, pa što više stanja možemo istražiti, veće su naše šanse da pronađemo najbolje rešenje.

Dve arhitekture, dva vremenska okvira

Kvantne žarice su specijalizovane za zadatke optimizacije. Aviokompanija može da koristi takav računar da pripremi optimalan raspored ruta aviona, onaj koji minimizira potrošnju goriva, a istovremeno obezbeđuje da su ispunjeni svi putnički rasporedi.

Oni će početi da komercijalni uticaj za 2-5 godina

 

Kvantni računari zasnovani na kapiji su univerzalni, što znači da će moći da izračunaju širok spektar problema. U budućnosti će farmaceutska kompanija koristiti jednu za simulaciju novih jedinjenja lekova, istražujući efekte miliona njih bez potrebe da ih sintetiše i testira.

Oni će početi da imaju komercijalni uticaj za 7-10 godina

Kvantne tehnologije

Superprovodljivi kubiti

Jedna od vodećih tehnoloških platformi za razvoj kvantnih računara. IBM, Google, D-Vave i drugi to rade. Superprovodljivi sistemi obično rade na veoma niskim temperaturama, blizu apsolutne nule kako bi stvorili prave uslove kvantnog računanja.

Kvantne mreže

Kvantne mreže omogućavaju prenos kvantno isprepletenih informacija preko komunikacionih kanala. One su jedna od tehnologija koje omogućavaju iza KKD-a i omogućiće i poboljšanu sigurnost i povećanu propusnost.

Distribucija kvantnog ključa (KKD)

Sigurna metoda komunikacije koja implementira kriptografski protokol koji uključuje komponente kvantne mehanike. Omogućava dve strane da proizvedu zajednički slučajni tajni ključ poznat samo njima, ključ koji se zatim može koristiti za šifrovanje i dešifrovanje poruka. Obećava da će biti neranjiv za njuškanje ili " napade čovek-in-the-middle ".

Kvantni senzor

Uređaj koji funkcioniše otkrivanjem varijacija u mikrogravitaciji koristeći principe kvantne fizike, koja se zasniva na manipulaciji prirodom na submolekularnom nivou. Kvantno očitavanje koristi svojstva kvantne mehanike kao što su kvantna zapletenost, kvantna interferencija i stiskanje kvantnog stanja kako bi prevazišla trenutne granice u senzorskoj tehnologiji i izbegla princip neizvesnosti.

Kvantni jonski kubiti

Zamke kvantnih jona su još jedna tehnološka platforma koja se koristi za razvoj kvantnih računara. To uključuje upotrebu električne magnetne sile za ograničavanje jona u slobodnom prostoru. LonK je vodeći zagovornik ovog pristupa.

Arhitekture žarenja

Arhitektura žarenja je jednostavnija, zasnovana na ideji pronalaženja najnižeg energetskog stanja u kvantnom sistemu. Ovo stanje najniže energije odgovara optimalnom rešenju problema optimizacije.

Gate arhitekture

Arhitekture kapija koriste kvantni ekvivalent logičkih kapija koje služe kao građevni blokovi centralnih procesnih jedinica zasnovanih na silicijumu. S obzirom na tu činjenicu, kvantni računar zasnovan na kapiji može, barem u teoriji, izračunati isti skup problema kao i tradicionalni računar.

Fotonika

Fotonski sistemi se oslanjaju na svetlosne impulse i polarizaciju svetlosti da bi stvorili svoje kubite. Za razliku od većine drugih kubit tehnologija, oni imaju prednost da rade na sobnoj temperaturi, ali imaju tendenciju da rade mnogo sporije od superprovodnih kubita. Ksanadu je vodeća kompanija koja se bavi fotonskim pristupom KC-u.

Postkvantna kriptografija (PKK)

Post-kvantna kriptografija je kolektivni izraz za nove pristupe enkripciji javnog ključa koji su otporni na kvantne računare. Procesom odabira PKC algoritama upravlja Nacionalni institut za standarde i tehnologiju (NIST). Većina velikih organizacija prati NIST-ovo vođstvo.

Kvantno računanje u oblaku

Hardver

Tipično, kompanije kojima je potreban KC ne poseduju svoje računare. Ideja o lokalnim kvantnim računarima trenutno nije praktična iz više ključnih razloga:

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

Umesto toga, krajnji korisnici kvantnih računara pristupaju im putem usluga u oblaku.

Trenutno postoje dva pristupa obezbeđivanju KC-a u oblaku:

Prednosti i mane ova dva pristupa

Vlasnički oblak

U ovom pristupu, provajderi nude pristup sopstvenim KC uređajima putem sopstvenih usluga u oblaku. IBM je najvažnija kompanija koja prati ovaj pristup, nudeći kontrolu kvaliteta kroz svoju IBM K mrežu.

Prednosti

Čvršća integracija između postojeće cloud platforme provajdera i kvantne platforme Smanjena latencija mreže između klasične cloud platforme i kvantne platforme, što će biti prednost za aplikacije sa niskim kašnjenjem (kao što je otkrivanje prevara)

Slabosti

Ograničen izbor kvantnih računarskih back-end opcija

Potencijal za restriktivnije komercijalne modele

Opasnost od zaključavanja prodavca

Javni oblak

U ovom pristupu, vodeće usluge u oblaku pružaju pristup KC uređajima trećih strana dobavljača. Amazon Braket, na primer, nudi pristup D-Vave, rigetti, Okford Kuantum Circuits, IonK i Ksanadu, sa još mnogo toga u toku. Microsoft Azure Kuantum nudi pristup Kuantinuum, IonK, Kuantum Circuits Inc, rigetti, PASKAL, 1kBit, Microsoft KIO i Toshiba SKBM+.

Prednosti

Koristi postojeće usluge pristupa i naplate provajdera oblaka i slične zajedničke usluge

Pruža jednostavan pristup kvantnim računarima, obično sa modelom „plati dok idete“

Obezbeđuje pristup širokom spektru kvantnih računara, omogućavajući poređenje između platformi i identifikaciju odgovarajućeg uređaja za problem pri ruci

Slabosti

Tendencija ka većoj latenciji u pristupu kvantnom uređaju zbog mrežnih povratnih putovanja i čekanja u redu

To zauzvrat stvara probleme u aplikacijama kao što su otkrivanje prevare i visokofrekventno trgovanje koje imaju zahteve u realnom vremenu ili niskoj latenciji, do te mere da takve aplikacije možda nisu praktične

 

 

U budućnosti, provajderi oblaka mogu hostovati kvantne uređaje u svojim data centrima zajedno sa svojim tradicionalnim CPU i GPU hardverom, čime se minimiziraju efekti kašnjenja i omogućava nova klasa kvantno-klasičnih hibridnih aplikacija visoke propusnosti, niske latencije, kao što su otkrivanje prevara i visokofrekventno trgovanje.

Softver/API-ji

API-ji i povezani SDK-ovi obično su otvorenog koda i, uz nekoliko izuzetaka, napisani u programskom jeziku Pithon.

Svaki vodeći KC prodavac obično obezbeđuje svoje API-je za podršku svojim uređajima ili uslugama.

Neki dobavljači, kao što je IonK, odlučili su da podrže API-je drugih dobavljača umesto da razviju sopstvene vlasničke API-je. IonK, na primer, podržava Kiskit iz IBM-a i Cirq-a. Ovaj pristup omogućava da se kvantni algoritmi napisani u Kiskitu za IBM kvantnu mašinu, na primer, lakše prenesu da rade na ionK uređaju.

Budućnost će videti mali broj standardizovanih API-ja, koje obezbeđuju ili nalažu veliki dobavljači tehnika/oblaka (IBM/Amazon/Microsoft), na koje će graditi dobavljači hardvera za kvantno računarstvo.

Aplikacije u finansijskim uslugama

Dok teže liderstvu u KC-u, finansijske institucije će verovatno otkriti da će razvoj i zadržavanje veština i talenata postati ključno bojište. Lideri u primeni kvantnih tehnologija videće da njihova sigurnost, operativna efikasnost i efikasnost proizvoda značajno rastu, dok će zaostali videti eroziju ovih aspekata njihovog poslovanja.

Iako ne očekujemo kvantne računare dovoljno moćne da dešifruju današnje kriptosisteme zasnovane na PKI-ju najmanje 10-12 godina, postoji značajan posao na njihovom pripremi za suzbijanje kvantnih pretnji.

Katalizirajući efekat u drugim sektorima

KC ima potencijalno transformativne aplikacije u nizu drugih oblasti.

Otkrivanje lekova

Kvantno računarstvo će poboljšati proces otkrivanja lekova ubrzavanjem identifikacije i simulacije molekula. To će premestiti eksperimente iz vlažnih laboratorija na računare, a istraživači će imati pristup hemijskim kombinacijama koje bi konvencionalno računarstvo trebalo decenijama da osmisli.

Sajber bezbednost

Kvantni računari ugrožavaju bezbednosnu okosnicu današnjih mreža - RSA kriptografija javnog ključa. Ali kvantna tehnologija će takođe omogućiti nove i još sigurnije oblike komunikacije.

Logistika

KC će transformisati naše lance snabdevanja rukovanjem neviđeno složenim masama podataka koji se odnose na proizvodne kapacitete, geografiju i infrastrukturu, vremenske obrasce, rutiranje, kapacitet železnice i brodske trake i šire.

Automobili

KC će se približiti održivom ekosistemu autonomnih vozila. Kvantni AI i mašinsko učenje će ubrzati proces učenja neophodnih algoritama. Klasifikacija slika i zadržavanje 3D objekata takođe će imati koristi od KC-a.

simulacija

KC će pružiti nove mogućnosti u modeliranju stvarnosti. Bolje ćemo predvidjeti ekstremne vremenske događaje, prikazati klimatske promene, predvideti kako će urbani razvoj uticati na emisije, predvideti rast stanovništva - i još mnogo toga.

Kako KC dobija na snazi, prirodno ćemo videti da se slučajevi upotrebe pojavljuju u brojnim sektorima.

TEHNOLOGIJA U NASTAJANJU

Igrači u KC-u trenutno

Različiti dobavljači hardvera stvaraju sopstvene kvantne računare, koristeći niz različitih osnovnih fizičkih fenomena i primenjujući univerzalne pristupe zasnovane na vratima i pristup kvantnom žarenju. To uključuje:

Pored dobavljača hardvera, od kojih svaki obično nudi sopstvene softverske biblioteke (npr. IBM kiskit, D-Vave Ocean, Google Cirk), postoji i veliki broj dobavljača kvantnog softvera za čistu igru. Među njima:

Rast tržišta KC

2016

89 MILIONA DOLARA

globalno tržište kvantnog računarstva

2025

$949M

globalno tržište kvantnog računarstva (projektovano)

30% CAGR od 2017. do 2025. godine

Veliki potencijal pred nama

Kvantni računari će biti prikladni za određene zadatke. U bliskom roku, kvantni računari će se istaknuti u rešavanju složenih numeričkih problema i koegzistirat će sa postojećim klasičnim računarima kako bi omogućili kvantno-klasične hibridne sisteme. Hibriditet je važan, jer dok klasično računarstvo pruža izrezane i osušene rezultate, kvantni računari isporučuju rezultate u raspodeli verovatnoće, generišući skupove odgovora koji tada mogu zahtevati smanjenje pomoću klasičnih računara. Dalje u budućnost, KC ima potencijal da bude transformativan. Unapraviće ogromna poboljšanja u određenim sferama, dajući nam mogućnost da stvorimo revolucionarne nove lekove, da optimizujemo funkcionisanje naših finansijskih tržišta, da obezbedimo naše mreže, da razumemo složene sisteme, od zemaljske ekologije do globalnih mreža snabdevanja i potražnje - i još mnogo toga. Što se tiče njegovih maksimalnih efekata, horizont je otvoren. Značajne promene dolaze na društvenom i ekonomskom nivou: Baš kao i klasično računarstvo, KC će biti sveobuhvatno transformativan u smislu načina na koji živimo. Ali priča ostaje da se napiše, a narednih nekoliko decenija biće svedoci onoga što naši najbolji umovi mogu učiniti sa ovim moćnim novim alatom.