Skip to main content

Signals

Kvantové výpočty

Ďalšia generácia výpočtovej techniky

Príchod kvantových výpočtov predstavuje ďalšiu významnú technologickú transformáciu, ktorá poháňa komplexné ekonomické a sociálne zmeny. Tu je krátky úvod do toho, čo sa od tejto technológie očakáva.

Nová generácia výpočtovej techniky

Kvantové výpočty (QC) sú ďalšou generáciou výpočtovej technológie, ktorá využíva kvantovú fyziku.

Zatiaľ čo klasické výpočty sa spoliehajú na bit, svoju základnú jednotku, kvantové výpočty sa spoliehajú na qubit – alebo akúkoľvek hodnotu medzi qubitmi, alebo akúkoľvek ich kombináciu.

Zatiaľ čo bit existuje podľa binárnej logiky – je buď 0 alebo 1, vypnutý alebo zapnutý – qubit môže existovať súčasne v stave 0 aj 1, čo je jav známy ako „superpozícia“.

„Prepletenie“ je ďalší základný jav, ktorý dáva QC jej silu. Keď sú dva alebo viac qubitov prepletené, fungujú ako jeden systém, podobne ako ozubené kolesá zapletené v prevodovke, takže zmena jedného qubitu zmení všetky ostatné, s ktorými je prepletený. To znamená, že jedna operácia môže súčasne ovplyvniť stavy mnohých qubitov.

Výsledkom je prekvapivo výkonnejší nový typ výpočtovej techniky.

Do roku 2030 by mohlo byť na svete 2 000 až 5 000 kvantových počítačov. V roku 2018 ich bolo menej ako tucet.

Počítače, ktoré sú exponenciálne výkonnejšie

1 Kvantový počítač dokáže vyriešiť problém, ktorý by si vyžadoval klaster 512 grafických procesorov

QC má potenciál riešiť problémy, ktoré sú exponenciálne zložitejšie ako tie, ktoré dokáže vyriešiť klasická výpočtová technika.

Kvantový počítač s 1 000 qubitmi (ktorého príchod sa predpokladá o 2 až 3 roky) by bol schopný súčasne pracovať s 10³⁰¹ (to je 1 nasledovaná 301 nulami) rôznymi takzvanými „stavmi informácie“.

„Štát“ v tomto kontexte znamená jedno možné riešenie daného problému. Väčšina možných riešení bude nesprávna, takže čím viac štátov preskúmame, tým väčšia je naša šanca nájsť najlepšie riešenie.

Dve architektúry, dva časové rámce

Kvantové žíhacie zariadenia sú špecializované na optimalizačné úlohy. Letecká spoločnosť by mohla použiť takýto počítač na prípravu optimálneho harmonogramu trás lietadiel, ktorý minimalizuje spotrebu paliva a zároveň zabezpečí splnenie harmonogramov všetkých cestujúcich.

Začnú mať komerčný vplyv o 2 až 5 rokov.

 

Kvantové počítače založené na bránach sú univerzálne, čo znamená, že budú schopné vypočítať širokú škálu problémov. V budúcnosti ho farmaceutická spoločnosť použije na simuláciu nových liečiv a preskúma účinky miliónov z nich bez toho, aby ich musela syntetizovať a testovať.

Začnú mať komerčný vplyv o 7-10 rokov.

Kvantové technológie

Supravodivé qubity

Jedna z popredných technologických platforiem pre vývoj kvantových počítačov. IBM, Google, D-Wave a ďalší to uvádzajú do praxe. Supravodivé systémy zvyčajne pracujú pri veľmi nízkych teplotách, blízkych absolútnej nule, aby vytvorili správne podmienky pre kvantové výpočty.

Kvantové siete

Kvantové siete umožňujú prenos kvantovo prepletených informácií cez komunikačné kanály. Sú jednou z technológií, ktoré stoja za QKD a umožnia zlepšenie bezpečnosti aj zvýšenie šírky pásma.

Kvantové rozdelenie kľúčov (QKD)

Bezpečná komunikačná metóda, ktorá implementuje kryptografický protokol zahŕňajúci komponenty kvantovej mechaniky. Umožňuje dvom stranám vytvoriť zdieľaný náhodný tajný kľúč, ktorý pozná iba ona, kľúč, ktorý sa potom môže použiť na šifrovanie a dešifrovanie správ. Sľubuje, že bude nezraniteľný voči špehovaniu alebo útokom typu „človek uprostred“.

Kvantový senzor

Zariadenie, ktoré funguje na princípoch kvantovej fyziky, založených na manipulácii s prírodou na submolekulárnej úrovni, a detekuje zmeny v mikrogravitácii. Kvantové snímanie využíva vlastnosti kvantovej mechaniky, ako je kvantové previazanie, kvantová interferencia a kvantové stláčanie stavov, na prekonanie súčasných limitov v senzorovej technológii a obídenie princípu neistoty.

Kvantové iónové qubity

Kvantové iónové pasce sú ďalšou technologickou platformou používanou na vývoj kvantových počítačov. Zahŕňa použitie elektrickej magnetickej sily na udržanie iónov vo voľnom priestore. lonQ je popredným zástancom tohto prístupu.

Žíhacie architektúry

Architektúra žíhania je jednoduchšia a je založená na myšlienke nájdenia stavu s najnižšou energiou v kvantovom systéme. Tento stav s najnižšou energiou zodpovedá optimálnemu riešeniu optimalizačného problému.

Architektúry brán

Architektúry brán využívajú kvantový ekvivalent logických brán, ktoré slúžia ako stavebné bloky centrálnych procesorových jednotiek na báze kremíka. Vzhľadom na túto skutočnosť dokáže kvantový počítač založený na bráne, aspoň teoreticky, vypočítať rovnaký súbor problémov ako tradičný počítač.

Fotonika

Fotonické systémy sa pri vytváraní svojich qubitov spoliehajú na svetelné impulzy a polarizáciu svetla. Na rozdiel od väčšiny ostatných technológií qubitov majú výhodu v tom, že fungujú pri izbovej teplote, ale majú tendenciu pracovať oveľa pomalšie ako supravodivé qubity. Xanadu je popredná spoločnosť, ktorá sa zameriava na fotonický prístup k kontrole kvality.

Postkvantová kryptografia (PQC)

Postkvantová kryptografia je súhrnný termín pre nové prístupy k šifrovaniu s verejným kľúčom, ktoré sú odolné voči kvantovým počítačom. Proces výberu algoritmov PQC riadi Národný inštitút pre štandardy a technológie (NIST). Väčšina veľkých organizácií nasleduje príklad NIST-u.

Kvantové výpočty v cloude

Hardvér

Spoločnosti, ktoré potrebujú kontrolu kvality, zvyčajne nevlastnia vlastné počítače. Myšlienka kvantových počítačov v lokálnych priestoroch nie je v súčasnosti praktická z niekoľkých kľúčových dôvodov:

  • Kvantové zariadenia sú drahé
  • Ich prevádzka je zložitá, a teda drahá
  • Vzhľadom na to, ako často dostávajú kvantové zariadenia od svojich výrobcov vylepšenia, jedno z nich by sa rýchlo stalo zastaraným.

Namiesto toho k nim koncoví používatelia kvantových počítačov pristupujú prostredníctvom cloudových služieb.

V súčasnosti existujú dva prístupy k cloudovému poskytovaniu kontroly kvality:

Výhody a nevýhody týchto dvoch prístupov

Proprietárny cloud

V tomto prístupe poskytovatelia ponúkajú prístup k vlastným zariadeniam kontroly kvality prostredníctvom vlastných cloudových služieb. IBM je najdôležitejšou spoločnosťou, ktorá tento prístup dodržiava a ponúka kontrolu kvality prostredníctvom svojej siete IBM Q Network.

Silné stránky

Užšia integrácia medzi existujúcou cloudovou platformou poskytovateľa a kvantovou platformou. Znížená latencia siete medzi klasickou cloudovou platformou a kvantovou platformou, čo bude výhodou pre aplikácie s nízkou latenciou (ako je napríklad detekcia podvodov).

Slabé stránky

Obmedzený výber možností back-endu pre kvantové výpočty

Potenciál pre reštriktívnejšie komerčné modely

Nebezpečenstvo závislosti od dodávateľa

Verejný cloud

V tomto prístupe poskytujú popredné cloudové služby prístup k zariadeniam kontroly kvality od tretích strán. Napríklad Amazon Braket ponúka prístup k D-Wave, Rigetti, Oxford Quantum Circuits, IonQ a Xanadu a ďalšie sú v štádiu vývoja. Microsoft Azure Quantum ponúka prístup ku Quantinuum, IonQ, Quantum Circuits Inc, rigetti, PASQAL, 1QBit, Microsoft QIO a Toshiba SQBM+.

Silné stránky

Používa existujúce prístupové a fakturačné služby poskytovateľa cloudu a podobné zdieľané služby

Poskytuje jednoduchý prístup ku kvantovým počítačom, zvyčajne s modelom „platba podľa spotreby“.

Poskytuje prístup k širokej škále kvantových počítačov, čo umožňuje porovnanie medzi platformami a identifikáciu vhodného zariadenia pre daný problém.

Slabé stránky

Tendencia k vyššej latencii pri prístupe ku kvantovému zariadeniu v dôsledku sieťových okružných prenosov a čakania v rade

To následne vytvára problémy v aplikáciách, ako je odhaľovanie podvodov a vysokofrekvenčné obchodovanie, ktoré majú požiadavky na prácu v reálnom čase alebo nízku latenciu, až do bodu, kedy takéto aplikácie nemusia byť praktické.

 

 

V budúcnosti môžu poskytovatelia cloudových služieb hostiť kvantové zariadenia vo svojich dátových centrách popri tradičnom hardvéri CPU a GPU, čím minimalizujú latenciu a umožnia novú triedu vysokovýkonných, nízkolatenciových kvantovo-klasických hybridných aplikácií, ako je detekcia podvodov a vysokofrekvenčné obchodovanie.

Softvér/API

Rozhrania API a súvisiace sady SDK bývajú open-source a až na niekoľko výnimiek napísané v programovacom jazyku Python.

Každý popredný dodávateľ kontroly kvality zvyčajne poskytuje vlastné rozhrania API na podporu svojich zariadení alebo služieb.

Niektorí dodávatelia, ako napríklad IonQ, sa rozhodli podporovať API iných dodávateľov, namiesto toho, aby vyvíjali vlastné proprietárne API. Napríklad IonQ podporuje Qiskit od spoločností IBM a Cirq. Tento prístup umožňuje napríklad jednoduchšie portovanie kvantových algoritmov napísaných v jazyku Qiskit pre kvantový stroj IBM na zariadenie IonQ.

V budúcnosti bude k dispozícii malý počet štandardizovaných API, ktoré budú poskytovať alebo nariaďovať veľkí poskytovatelia technológií/cloudu (IBM/Amazon/Microsoft), na ktorých budú stavať dodávatelia hardvéru pre kvantové výpočty.

Aplikácie vo finančných službách

Finančné inštitúcie sa pravdepodobne v snahe o vedúce postavenie v oblasti kontroly kvality stretnú s problémami rozvoja a udržania si zručností a talentov. Lídri v oblasti aplikácie kvantových technológií zaznamenajú výrazný nárast bezpečnosti, prevádzkovej efektivity a efektivity produktov, zatiaľ čo zaostávajúci zaznamenajú pokles týchto aspektov svojho podnikania.

Hoci neočakávame, že kvantové počítače budú dostatočne výkonné na dešifrovanie dnešných kryptosystémov založených na PKI aspoň 10 – 12 rokov, je potrebné vykonať značné úsilie, aby boli pripravené čeliť kvantovým hrozbám.

Katalyzačný efekt v iných sektoroch

Kontrola kvality má potenciálne transformačné využitie v mnohých ďalších oblastiach.

Objav liekov

Kvantové výpočty zlepšia proces objavovania liekov urýchlením identifikácie a simulácie molekúl. Presunie experimenty z mokrých laboratórií do počítačov a výskumníci budú mať prístup k chemickým kombináciám, ktorých vývoj by konvenčným výpočtom trval desaťročia.

Kybernetická bezpečnosť

Kvantové počítače skutočne ohrozujú bezpečnostnú chrbticu dnešných sietí – kryptografiu s verejným kľúčom RSA. Kvantová technológia však umožní aj nové a ešte bezpečnejšie formy komunikácie.

Logistika

Spoločnosť QC transformuje naše dodávateľské reťazce spracovaním bezprecedentne zložitých masív údajov súvisiacich s výrobnou kapacitou, geografiou a infraštruktúrou, poveternostnými vplyvmi, trasami, kapacitou železničných a lodných trás a ďalšími aspektmi.

Automobilový priemysel

QC sa bude viac priblížiť k životaschopnému ekosystému autonómnych vozidiel. Kvantovo poháňaná umelá inteligencia a strojové učenie urýchlia proces učenia potrebných algoritmov. Klasifikácia obrázkov a zadržiavanie 3D objektov budú tiež profitovať z kontroly kvality.

simulácia

Kontrola kvality poskytne nové možnosti v modelovaní reality. Budeme lepšie predvídať extrémne poveternostné udalosti, mapovať klimatické zmeny, predpovedať, ako rozvoj miest ovplyvní emisie, predpovedať rast populácie – a mnoho ďalšieho.

S rastúcou popularitou QC sa prirodzene objavia prípady použitia v mnohých sektoroch.

NOVÉ TECHNOLÓGIE

Hráči v QC práve teraz

Rôzni dodávatelia hardvéru vytvárajú vlastné kvantové počítače, pričom využívajú rôzne základné fyzikálne javy a nasadzujú univerzálne prístupy založené na bránach aj prístup kvantového žíhania. Patria sem:

Okrem dodávateľov hardvéru, z ktorých každý zvyčajne ponúka vlastné softvérové knižnice (napr. IBM qiskit, D-Wave Ocean, Google Cirq), existuje aj množstvo dodávateľov čisto kvantového softvéru. Medzi nimi:

Rast trhu QC

2016

89 miliónov dolárov

globálny trh s kvantovými výpočtami

2025

949 miliónov dolárov

globálny trh s kvantovými výpočtami (prognóza)

30 % ročná miera rastu od roku 2017 do roku 2025

Veľký potenciál pred nami

Kvantové počítače budú vhodné pre určité úlohy. V blízkej budúcnosti budú kvantové počítače vynikať v riešení zložitých numerických problémov a budú koexistovať s existujúcimi klasickými počítačmi, aby umožnili vznik kvantovo-klasických hybridných systémov. Hybridita je dôležitá, pretože zatiaľ čo klasické výpočty poskytujú overené výstupy, kvantové počítače poskytujú výstupy v pravdepodobnostných rozdeleniach, čím generujú súbory odpovedí, ktoré si potom môžu vyžadovať analýzu pomocou klasických počítačov. V budúcnosti má QC potenciál byť transformačné. Prinesie obrovské zlepšenia v určitých oblastiach a poskytne nám prostriedky na vytvorenie revolučných nových liekov, optimalizáciu fungovania našich finančných trhov, zabezpečenie našich sietí, pochopenie zložitých systémov, od ekológie Zeme až po globálne siete ponuky a dopytu – a mnoho ďalšieho. Čo sa týka jeho maximálnych účinkov, horizont je otvorený. Významné zmeny sa očakávajú na sociálnej a ekonomickej úrovni: Rovnako ako klasická výpočtová technika, aj QC bude komplexne transformačná, pokiaľ ide o to, ako žijeme. Príbeh sa však ešte len napíše a najbližšie desaťročia budú svedkami toho, čo dokážu naše najlepšie mysle s týmto novým mocným nástrojom.