Skip to main content

Signaler

Kvantberäkning

Nästa generations datorteknik

Tillkomsten av kvantberäkningar representerar nästa stora tekniska omvandling och driver omfattande ekonomiska och sociala förändringar. Här är en kort introduktion till vad som förväntas av tekniken.

Nästa generations datorteknik

Kvantberäkning (QC) är nästa generations datorteknik som utnyttjar kvantfysik.

Medan klassisk databehandling förlitar sig på biten, dess grundläggande enhet, förlitar sig kvantberäkning på qubiten – eller vilket värde som helst mellan qubits, eller någon kombination av dem.

Medan en bit existerar enligt en binär logik – den är antingen 0 eller 1, av eller på – kan en qubit existera i både 0-tillståndet och 1-tillståndet samtidigt, i ett fenomen som kallas "superposition".

”Entanglement” är ett annat grundläggande fenomen som ger QC sin kraft. När två eller fler qubits är intrasslade fungerar de som ett enda system, ungefär som kugghjul inflätade i en växellåda, så att en förändring av en qubit förändrar alla andra som den är intrasslad med. Det betyder att en enda operation samtidigt kan påverka tillstånden för många qubits.

Resultatet är en häpnadsväckande kraftfullare ny typ av datoranvändning.

Det kan finnas mellan 2 000 och 5 000 kvantdatorer över hela världen år 2030. Det fanns färre än ett dussin år 2018.

Datorer som är exponentiellt kraftfullare

1 Kvantdator kan lösa ett problem som skulle kräva ett kluster av 512 GPU:er

Kvalitetskontroll har potential att lösa problem som är exponentiellt mer komplexa än de som klassisk databehandling kan lösa.

En kvantdator på 1 000 qubit (som förväntas komma om 2–3 år) skulle kunna arbeta med10³⁰¹ (det vill säga en 1 följt av 301 nollor) olika så kallade "informationstillstånd" samtidigt.

Ett ”tillstånd” i detta sammanhang betyder en möjlig lösning på ett givet problem. De flesta möjliga lösningar kommer att vara fel, så ju fler tillstånd vi kan utforska, desto större är våra chanser att hitta den bästa lösningen.

Två arkitekturer, två tidsramar

Kvantglödgare är specialiserade för optimeringsuppgifter. Ett flygbolag kan använda en sådan dator för att utarbeta ett optimalt schema för flygplanens rutter, ett schema som minimerar bränsleförbrukningen samtidigt som det säkerställer att alla passagerarscheman uppfylls.

De kommer att börja göra kommersiell skillnad inom 2–5 år.

 

Gate-baserade kvantdatorer är universella, vilket innebär att de kommer att kunna beräkna ett brett spektrum av problem. I framtiden kommer ett läkemedelsföretag att använda en sådan för att simulera nya läkemedelssubstanser och utforska effekterna av miljontals av dem utan att behöva syntetisera och testa dem.

De kommer att börja göra kommersiell skillnad om 7–10 år.

Kvantteknologier

Supraledande qubits

En av de ledande teknikplattformarna för utveckling av kvantdatorer. IBM, Google, D-Wave och andra använder det. Supraledande system arbetar vanligtvis vid mycket låga temperaturer, nära absoluta nollpunkten, för att skapa rätt förhållanden för kvantberäkning.

Kvantnätverk

Kvantnätverk möjliggör överföring av kvantintersslad information över kommunikationskanaler. De är en av de möjliggörande teknikerna bakom QKD och kommer att möjliggöra både förbättrad säkerhet och ökad bandbredd.

Kvantnyckeldistribution (QKD)

En säker kommunikationsmetod som implementerar ett kryptografiskt protokoll som involverar komponenter från kvantmekanik. Det gör det möjligt för två parter att skapa en delad slumpmässig hemlig nyckel som bara är känd för dem, en nyckel som sedan kan användas för att kryptera och dekryptera meddelanden. Den har löftet att vara osårbar för snokning eller "man-in-the-middle"-attacker.

Kvantsensor

En apparat som fungerar genom att detektera variationer i mikrogravitation med hjälp av kvantfysikens principer, som bygger på att manipulera naturen på submolekylär nivå. Kvantavkänning använder kvantmekaniska egenskaper som kvantsammanflätning, kvantinterferens och kvanttillståndskomprimering för att överträffa nuvarande gränser inom sensorteknik och kringgå osäkerhetsprincipen.

Kvantjon-qubitar

Kvantjonfällor är en annan teknikplattform som används för att utveckla kvantdatorer. Det innebär att man använder elektriskmagnetisk kraft för att hålla joner i fritt utrymme. lonQ är den ledande förespråkaren för denna metod.

Glödgningsarkitekturer

En glödgningsarkitektur är en enklare sådan, baserad på idén att hitta det lägsta energitillståndet i kvantsystemet. Detta lägsta energitillstånd motsvarar den optimala lösningen av ett optimeringsproblem.

Gate-arkitekturer

Grindarkitekturer använder kvantekvivalenten till de logiska grindar som fungerar som byggstenar i kiselbaserade centrala processorenheter. Med tanke på detta faktum kan en gate-baserad kvantdator, åtminstone i teorin, beräkna samma uppsättning problem som en traditionell dator.

Fotonik

Fotoniska system förlitar sig på ljuspulser och ljuspolarisering för att skapa sina qubits. Till skillnad från de flesta andra qubit-tekniker har de fördelen att de arbetar i rumstemperatur, men de tenderar att arbeta mycket långsammare än supraledande qubitar. Xanadu är det ledande företaget som tillämpar en fotonikbaserad metod för kvalitetskontroll.

Postkvantkryptografi (PQC)

Postkvantkryptografi är den samlingsbeteckningen för nya metoder för kryptering med publika nycklar som är resistenta mot kvantdatorer. Processen för att välja PQC-algoritmer hanteras av National Institute of Standards and Technology (NIST). De flesta stora organisationer följer NISTs exempel.

Kvantberäkning i molnet

Hårdvara

Vanligtvis äger företag som behöver kvalitetskontroll inte sina egna datorer. Idén med lokala kvantdatorer är för närvarande inte praktisk, av ett antal viktiga skäl:

  • Kvantenheter är dyra
  • Deras drift är komplex och därmed dyr
  • Med tanke på hur ofta kvantenheter får uppgraderingar från sina tillverkare, skulle en enskild enhet bli föråldrad snabbt

Istället får slutanvändare av kvantdatorer tillgång till dem via molntjänster.

Det finns för närvarande två metoder för molnbaserad QC-tillhandahållning:

För- och nackdelar med de två metoderna

Proprietärt moln

I den här metoden erbjuder leverantörer tillgång till sina egna QC-enheter via sina egna molntjänster. IBM är det viktigaste företaget som följer denna metod och erbjuder QC via sitt IBM Q Network.

Styrkor

Tätare integration mellan leverantörens befintliga molnplattform och kvantplattformen. Minskad nätverkslatens mellan en klassisk molnplattform och kvantplattformen, vilket kommer att vara en fördel för applikationer med låg latens (som bedrägeridetektering).

Svagheter

Begränsat urval av backend-alternativ för kvantberäkning

Potential för mer restriktiva kommersiella modeller

Risk för leverantörsinlåsning

Publikt moln

I den här metoden ger ledande molntjänster åtkomst till tredjepartsleverantörers QC-enheter. Amazon Braket, till exempel, erbjuder tillgång till D-Wave, Rigetti, Oxford Quantum Circuits, IonQ och Xanadu, med fler på gång. Microsoft Azure Quantum erbjuder tillgång till Quantinuum, IonQ, Quantum Circuits Inc, rigetti, PASQAL, 1QBit, Microsoft QIO och Toshiba SQBM+.

Styrkor

Använder molnleverantörens befintliga åtkomst- och faktureringstjänster och liknande delade tjänster

Ger en enkel inkörsport till kvantdatorer, vanligtvis med en "betala per användning"-modell

Ger tillgång till en mängd olika kvantdatorer, vilket möjliggör jämförelse mellan plattformar och identifiering av lämplig enhet för det aktuella problemet.

Svagheter

Tendens mot högre latens vid åtkomst till kvantenheten på grund av nätverksrundturer och köer

Det skapar i sin tur problem i applikationer som bedrägeriupptäckt och högfrekvent handel som har krav på realtid eller låg latens, till den grad att sådana applikationer kanske inte är praktiska.

 

 

I framtiden kan molnleverantörer komma att hosta kvantenheter i sina datacenter tillsammans med sin traditionella CPU- och GPU-hårdvara, vilket minimerar latenseffekter och möjliggör en ny klass av kvantklassiska hybridapplikationer med hög genomströmning och låg latens, såsom bedrägeriupptäckt och högfrekvent handel.

Programvara/API:er

API:er och tillhörande SDK:er tenderar att vara öppna för källor och, med några få undantag, skrivna i programmeringsspråket Python.

Varje ledande QC-leverantör tillhandahåller vanligtvis sina egna API:er för att stödja sina enheter eller tjänster.

Vissa leverantörer, som IonQ, har beslutat att stödja andra leverantörers API:er snarare än att utveckla sina egna proprietära API:er. IonQ, till exempel, stöder Qiskit från IBM och Cirq. Denna metod gör det möjligt att till exempel enklare porta kvantalgoritmer skrivna i Qiskit för en IBM-kvantmaskin för att köras på en IonQ-enhet.

Framtiden kommer att se ett litet antal standardiserade API:er, tillhandahållna eller obligatoriska av de stora teknik-/molnleverantörerna (IBM/Amazon/Microsoft), som leverantörer av kvantberäkningshårdvara kommer att bygga vidare på.

Tillämpningar inom finansiella tjänster

I sin strävan efter ledarskap inom kvalitetskontroll kommer finansinstitut sannolikt att upptäcka att kompetensutveckling och talangutveckling samt personalomsättning kommer att bli en viktig stridsplats. Ledande företag inom tillämpningen av kvantteknologier kommer att se sin säkerhet, operativa effektivitet och produkteffektivitet öka avsevärt, medan de som eftersläpar efter kommer att se dessa aspekter av sin verksamhet urholkas.

Även om vi inte förväntar oss att kvantdatorer är tillräckligt kraftfulla för att dekryptera dagens PKI-baserade kryptosystem på minst 10–12 år, finns det betydande arbete att göra för att förbereda dem för att motverka kvanthot.

En katalyserande effekt i andra sektorer

QC har potentiellt transformativa tillämpningar inom en rad andra områden.

Läkemedelsupptäckt

Kvantberäkning kommer att förbättra läkemedelsutvecklingsprocessen genom att påskynda identifiering och simulering av molekyler. Det kommer att flytta experiment från våtlaboratorier till datorer och forskare kommer att ha tillgång till kemiska kombinationer som konventionell databehandling skulle ta årtionden att utveckla.

Cybersäkerhet

Kvantdatorer hotar verkligen säkerhetsryggraden i dagens nätverk – RSA-kryptografi med offentlig nyckel. Men kvantteknologin kommer också att möjliggöra nya och ännu säkrare former av kommunikation.

Logistik

Kvalitetskontroll (QC) kommer att omvandla våra leveranskedjor genom att hantera oöverträffat komplexa datamängder relaterade till tillverkningskapacitet, geografi och infrastruktur, vädermönster, rutter, järnvägs- och sjöfartskapacitet och mer därtill.

Bil

QC kommer att driva närmare ett livskraftigt ekosystem för autonoma fordon. Kvantdriven AI och maskininlärning kommer att påskynda inlärningsprocessen för nödvändiga algoritmer. Bildklassificering och 3D-objektdetektion kommer också att dra nytta av kvalitetskontroll.

Simulering

QC kommer att ge nya möjligheter inom modellering av verkligheten. Vi kommer bättre att förutse extrema väderhändelser, kartlägga klimatförändringar, förutsäga hur stadsutvecklingen kommer att påverka utsläpp, prognostisera befolkningstillväxt – och mer.

I takt med att kvalitetskontroll får allt större genomslag kommer vi naturligtvis att se användningsfall dyka upp inom ett flertal sektorer.

FRAMVÄXANDE TEKNIK

Spelarna i QC just nu

En mängd olika hårdvaruleverantörer skapar sina egna kvantdatorer med hjälp av en rad olika underliggande fysikaliska fenomen och använder både universella, grindbaserade metoder och kvantglödgningsmetoden. Dessa inkluderar:

Förutom hårdvaruleverantörer, som vanligtvis erbjuder sina egna programvarubibliotek (t.ex. IBM qiskit, D-Wave Ocean, Google Cirq), finns det också ett antal renodlade kvantprogramvaruleverantörer. Bland dem:

QC-marknadstillväxt

2016

89 miljoner dollar

global kvantberäkningsmarknad

2025

949 miljoner dollar

global kvantberäkningsmarknad (prognostiserad)

30 % årlig tillväxttakt från 2017 till 2025

Stor potential framöver

Kvantdatorer kommer att vara lämpliga för vissa uppgifter. Inom kort kommer kvantdatorer att utmärka sig på att lösa komplexa numeriska problem och kommer att samexistera med befintliga klassiska datorer för att möjliggöra kvant-klassiska hybridsystem. Hybriditet är viktigt, eftersom medan klassisk databehandling levererar klippbara resultat, levererar kvantdatorer resultat i sannolikhetsfördelningar och genererar uppsättningar av svar som sedan kan kräva rensning med hjälp av klassiska datorer. Längre in i framtiden har QC potential att vara transformativ. Det kommer att åstadkomma enorma förbättringar inom vissa områden, vilket ger oss resurser att skapa revolutionerande nya läkemedel, optimera hur våra finansmarknader fungerar, säkra våra nätverk, förstå komplexa system, från jordens ekologier till globala nätverk av utbud och efterfrågan – och mer. När det gäller dess maximala effekter är horisonten öppen. Betydande förändringar är på gång på social och ekonomisk nivå: Precis som klassisk databehandling kommer kvalitetskontroll att vara heltäckande omvälvande när det gäller hur vi lever. Men historien återstår att skrivas, och de kommande decennierna kommer att bevittna vad våra bästa hjärnor kan göra med detta kraftfulla nya verktyg.