Skip to main content

Signali

Kvantno računalništvo

Naslednja generacija računalniške tehnologije

Pojav kvantnega računalništva predstavlja naslednjo veliko tehnološko preobrazbo, ki bo povzročila celovite gospodarske in družbene spremembe. Tukaj je kratek pregled pričakovanj glede tehnologije.

Naslednja generacija računalniške tehnologije

Kvantno računalništvo (QC) je naslednja generacija računalniške tehnologije, ki izkorišča kvantno fiziko.

Medtem ko klasično računalništvo temelji na bitu, svoji osnovni enoti, se kvantno računalništvo zanaša na kubit – ali katero koli vrednost med kubiti ali katero koli njihovo kombinacijo.

Medtem ko bit obstaja po binarni logiki – je bodisi 0 bodisi 1, izklopljen ali vklopljen – lahko kubit hkrati obstaja v stanju 0 in stanju 1, kar je pojav, znan kot "superpozicija".

"Prepletenost" je še en temeljni pojav, ki daje QC moč. Ko sta dva ali več kubitov prepletena, delujejo kot en sam sistem, podobno kot zobniki, prepleteni v menjalniku, tako da sprememba enega kubita spremeni vse ostale, s katerimi je prepleten. To pomeni, da lahko ena sama operacija hkrati vpliva na stanja več kubitov.

Rezultat je presenetljivo zmogljivejša nova vrsta računalništva.

Do leta 2030 bi lahko bilo po vsem svetu med 2000 in 5000 kvantnih računalnikov. Leta 2018 jih je bilo manj kot ducat.

Računalniki, ki so eksponentno zmogljivejši

1 Kvantni računalnik lahko reši problem, za katerega bi bila potrebna skupina 512 grafičnih procesorjev

QC ima potencial za reševanje problemov, ki so eksponentno bolj zapleteni od tistih, ki jih lahko reši klasično računalništvo.

Kvantni računalnik s 1000 kubiti (ki naj bi prišel v 2-3 letih) bi lahko hkrati deloval na 10³⁰¹ (to je 1, ki ji sledi 301 ničla) različnih tako imenovanih "informacijskih stanjih".

"Stanje" v tem kontekstu pomeni eno možno rešitev danega problema. Večina možnih rešitev bo napačnih, zato več stanj, ki jih lahko raziščemo, večje so naše možnosti, da najdemo najboljšo rešitev.

Dve arhitekturi, dva časovna okvira

Kvantni žarilniki so specializirani za optimizacijske naloge. Letalska družba bi lahko uporabila tak računalnik za pripravo optimalnega urnika poti letal, ki bi zmanjšal porabo goriva, hkrati pa zagotovil, da se izpolnijo vsi vozni redi potnikov.

Komercialni vpliv bodo začeli ustvarjati v 2-5 letih

 

Kvantni računalniki na osnovi vrat so univerzalni, kar pomeni, da bodo lahko izračunali širok spekter problemov. V prihodnosti ga bo farmacevtsko podjetje uporabljalo za simulacijo novih zdravilnih spojin in raziskovanje učinkov milijonov teh spojin, ne da bi jih bilo treba sintetizirati in testirati.

Komercialni vpliv bodo začeli ustvarjati čez 7–10 let.

Kvantne tehnologije

Superprevodni kubiti

Ena vodilnih tehnoloških platform za razvoj kvantnih računalnikov. IBM, Google, D-Wave in drugi ga uporabljajo. Superprevodni sistemi običajno delujejo pri zelo nizkih temperaturah, blizu absolutne ničle, da bi ustvarili ustrezne pogoje za kvantno računanje.

Kvantna omrežja

Kvantna omrežja omogočajo prenos kvantno prepletenih informacij prek komunikacijskih kanalov. So ena od tehnologij, ki omogočajo QKD, in bodo omogočile tako izboljšano varnost kot tudi povečano pasovno širino.

Kvantna porazdelitev ključev (QKD)

Varna komunikacijska metoda, ki izvaja kriptografski protokol, ki vključuje komponente kvantne mehanike. Omogoča dvema stranema, da ustvarita skupni naključni tajni ključ, ki ga poznata le jima, ključ, ki ga lahko nato uporabita za šifriranje in dešifriranje sporočil. Obljublja, da je neranljiv za vohunjenje ali napade "človek v sredini".

Kvantni senzor

Naprava, ki deluje z zaznavanjem sprememb v mikrogravitaciji z uporabo načel kvantne fizike, ki temelji na manipuliranju narave na submolekularni ravni. Kvantno zaznavanje uporablja lastnosti kvantne mehanike, kot so kvantna prepletenost, kvantna interferenca in stiskanje kvantnih stanj, da bi preseglo trenutne omejitve v senzorski tehnologiji in se izognilo načelu negotovosti.

Kvantni ionski kubiti

Kvantne ionske pasti so še ena tehnološka platforma, ki se uporablja za razvoj kvantnih računalnikov. Gre za uporabo elektromagnetne sile za omejevanje ionov v prostem prostoru. lonQ je vodilni zagovornik tega pristopa.

Arhitekture žarjenja

Arhitektura žarjenja je preprostejša in temelji na ideji iskanja najnižjega energijskega stanja v kvantnem sistemu. To stanje z najnižjo energijo ustreza optimalni rešitvi optimizacijskega problema.

Arhitekture vrat

Arhitekture vrat uporabljajo kvantni ekvivalent logičnih vrat, ki služijo kot gradniki centralnih procesnih enot na osnovi silicija. Glede na to dejstvo lahko kvantni računalnik na osnovi vrat, vsaj teoretično, izračuna enak nabor problemov kot tradicionalni računalnik.

Fotonika

Fotonski sistemi se za ustvarjanje kubitov zanašajo na svetlobne impulze in polarizacijo svetlobe. Za razliko od večine drugih tehnologij kubitov imajo prednost delovanja pri sobni temperaturi, vendar ponavadi delujejo veliko počasneje kot superprevodni kubiti. Xanadu je vodilno podjetje, ki uporablja fotonski pristop k nadzoru kakovosti.

Postkvantna kriptografija (PQC)

Postkvantna kriptografija je skupni izraz za nove pristope šifriranja z javnim ključem, ki so odporni na kvantne računalnike. Postopek izbire algoritmov PQC upravlja Nacionalni inštitut za standarde in tehnologijo (NIST). Večina velikih organizacij sledi zgledu NIST-a.

Kvantno računalništvo v oblaku

Strojna oprema

Običajno podjetja, ki potrebujejo nadzor kakovosti, nimajo lastnih računalnikov. Zamisel o kvantnih računalnikih na lokaciji trenutno ni praktična iz več ključnih razlogov:

  • Kvantne naprave so drage
  • Njihovo delovanje je zapleteno in zato drago
  • Glede na to, kako pogosto kvantne naprave prejmejo nadgradnje od svojih proizvajalcev, bi posamezna naprava hitro postala zastarela.

Namesto tega končni uporabniki kvantnih računalnikov do njih dostopajo prek storitev v oblaku.

Trenutno obstajata dva pristopa k zagotavljanju nadzora kakovosti v oblaku:

Prednosti in slabosti obeh pristopov

Lastniški oblak

Pri tem pristopu ponudniki ponujajo dostop do lastnih naprav za nadzor kakovosti prek lastnih storitev v oblaku. IBM je najpomembnejše podjetje, ki sledi temu pristopu in ponuja QC prek svojega omrežja IBM Q Network.

Prednosti

Tesnejša integracija med obstoječo ponudnikovo oblačno platformo in kvantno platformo. Zmanjšana omrežna latenca med klasično oblačno platformo in kvantno platformo, kar bo prednost za aplikacije z nizko latenco (kot je odkrivanje goljufij).

Slabosti

Omejena izbira možnosti zalednega delovanja kvantnega računalništva

Potencial za bolj restriktivne komercialne modele

Nevarnost vezave na prodajalca

Javni oblak

Pri tem pristopu vodilne storitve v oblaku zagotavljajo dostop do naprav za nadzor kakovosti tretjih oseb. Amazon Braket na primer ponuja dostop do D-Wave, rigetti, Oxford Quantum Circuits, IonQ in Xanadu, v pripravi pa so še več. Microsoft Azure Quantum ponuja dostop do Quantinuum, IonQ, Quantum Circuits Inc, rigetti, PASQAL, 1QBit, Microsoft QIO in Toshiba SQBM+.

Prednosti

Uporablja obstoječe storitve dostopa in obračunavanja ponudnika storitev v oblaku ter podobne skupne storitve

Zagotavlja enostaven dostop do kvantnih računalnikov, običajno z modelom »plačilo po porabi«

Omogoča dostop do široke palete kvantnih računalnikov, kar omogoča primerjavo med platformami in identifikacijo ustrezne naprave za obravnavani problem.

Slabosti

Tendenca k večji latenci pri dostopu do kvantne naprave zaradi omrežnih krožnih poti in čakalnih vrst

To pa posledično povzroča težave v aplikacijah, kot sta odkrivanje goljufij in visokofrekvenčno trgovanje, ki imajo zahteve glede delovanja v realnem času ali nizke zakasnitve, do te mere, da takšne aplikacije morda niso praktične.

 

 

V prihodnosti bodo ponudniki storitev v oblaku lahko v svojih podatkovnih centrih gostili kvantne naprave poleg tradicionalne strojne opreme CPU in GPU, s čimer bodo zmanjšali učinke latence in omogočili nov razred visokozmogljivih, nizkolatentnih kvantno-klasičnih hibridnih aplikacij, kot sta odkrivanje goljufij in visokofrekvenčno trgovanje.

Programska oprema/API-ji

API-ji in pripadajoči SDK-ji so običajno odprtokodni in, z nekaj izjemami, napisani v programskem jeziku Python.

Vsak vodilni ponudnik QC običajno ponuja lastne API-je za podporo svojim napravam ali storitvam.

Nekateri prodajalci, kot je IonQ, so se odločili podpirati API-je drugih prodajalcev, namesto da bi razvijali lastne API-je. IonQ na primer podpira Qiskit podjetij IBM in Cirq. Ta pristop omogoča, da se kvantni algoritmi, napisani v Qiskitu za IBM-ov kvantni stroj, lažje prenesejo na napravo IonQ.

V prihodnosti bo na voljo majhno število standardiziranih API-jev, ki jih bodo zagotavljali ali predpisovali veliki ponudniki tehnologije/oblaka (IBM/Amazon/Microsoft), na katere bodo gradili prodajalci strojne opreme za kvantno računalništvo.

Uporaba v finančnih storitvah

Medtem ko si finančne institucije prizadevajo za vodilno vlogo na področju kontrole kakovosti, bodo verjetno ugotovile, da bosta razvoj in ohranjanje znanj in spretnosti ter talentov postala ključno bojišče. Vodilni na področju uporabe kvantnih tehnologij bodo opazili znatno rast varnosti, operativne učinkovitosti in učinkovitosti izdelkov, medtem ko bodo tisti, ki zaostajajo, opazili erozijo teh vidikov svojega poslovanja.

Čeprav ne pričakujemo, da bodo kvantni računalniki dovolj zmogljivi za dešifriranje današnjih kriptosistemov, ki temeljijo na PKI, vsaj 10–12 let, je treba opraviti še veliko dela, da jih pripravimo na soočanje s kvantnimi grožnjami.

Katalitični učinek v drugih sektorjih

QC ima potencialno transformativne aplikacije na številnih drugih področjih.

Odkrivanje zdravil

Kvantno računalništvo bo izboljšalo proces odkrivanja zdravil s pospešitvijo identifikacije in simulacije molekul. Poskuse bo iz mokrih laboratorijev preselil na računalnike, raziskovalci pa bodo imeli dostop do kemičnih kombinacij, za katere bi konvencionalno računalništvo potrebovalo desetletja.

Kibernetska varnost

Kvantni računalniki resnično ogrožajo varnostno hrbtenico današnjih omrežij – kriptografijo z javnim ključem RSA. Toda kvantna tehnologija bo omogočila tudi nove in še varnejše oblike komunikacije.

Logistika

QC bo preoblikoval naše dobavne verige z obravnavo izjemno kompleksnih množic podatkov, povezanih s proizvodnimi zmogljivostmi, geografijo in infrastrukturo, vremenskimi vzorci, trasami, zmogljivostjo železniških in ladijskih poti ter še več.

Avtomobilizem

QC si bo prizadeval za vzpostavitev vzdržnega ekosistema avtonomnih vozil. Kvantno gnana umetna inteligenca in strojno učenje bosta pospešila proces učenja potrebnih algoritmov. Klasifikacija slik in zadrževanje 3D-objektov bosta prav tako imela koristi od nadzora kakovosti.

Simulacija

QC bo zagotovil nove zmogljivosti pri modeliranju realnosti. Bolje bomo predvideli ekstremne vremenske dogodke, zabeležili podnebne spremembe, napovedali, kako bo urbani razvoj vplival na emisije, napovedali rast prebivalstva – in še več.

Ko bo QC pridobil na veljavi, bomo seveda opazili primere uporabe v številnih sektorjih.

NOVA TEHNOLOGIJA

Igralci v QC trenutno

Različni ponudniki strojne opreme ustvarjajo lastne kvantne računalnike, pri čemer uporabljajo vrsto različnih osnovnih fizikalnih pojavov in uporabljajo tako univerzalne pristope, ki temeljijo na vratih, kot tudi pristop kvantnega žarjenja. To vključuje:

Poleg ponudnikov strojne opreme, od katerih vsak običajno ponuja lastne programske knjižnice (npr. IBM qiskit, D-Wave Ocean, Google Cirq), obstaja tudi več ponudnikov programske opreme, ki se ukvarjajo izključno s kvantno tehnologijo. Med njimi:

Rast trga QC

2016

89 milijonov dolarjev

svetovni trg kvantnega računalništva

2025

949 milijonov dolarjev

svetovni trg kvantnega računalništva (napoved)

30-odstotna letna stopnja rasti od leta 2017 do 2025

Velik potencial pred nami

Kvantni računalniki bodo primerni za določene naloge. V bližnji prihodnosti bodo kvantni računalniki blesteli pri reševanju kompleksnih numeričnih problemov in bodo sobivali z obstoječimi klasičnimi računalniki, kar bo omogočilo kvantno-klasične hibridne sisteme. Hibridnost je pomembna, saj klasično računalništvo zagotavlja jasne rezultate, kvantni računalniki pa dajejo rezultate v verjetnostnih porazdelitvah in ustvarjajo nabore odgovorov, ki jih je nato morda treba analizirati s klasičnimi računalniki. V prihodnosti ima QC potencial, da postane preobrazben. Na določenih področjih bo prinesel ogromne izboljšave, kar nam bo dalo sredstva za ustvarjanje revolucionarnih novih zdravil, optimizacijo delovanja naših finančnih trgov, zavarovanje naših omrežij, razumevanje kompleksnih sistemov, od zemeljske ekologije do globalnih omrežij ponudbe in povpraševanja – in še več. Kar se tiče njegovih največjih učinkov, je obzorje odprto. Na družbeni in ekonomski ravni se obetajo pomembne spremembe: tako kot klasično računalništvo bo tudi QC celovito preobrazil naš način življenja. Toda zgodba še ni napisana in naslednjih nekaj desetletij bo priča temu, kaj lahko naši najboljši umi storijo s tem močnim novim orodjem.