Skip to main content

Signals

Квантові обчислення

Наступне покоління обчислювальних технологій

Поява квантових обчислень являє собою наступну велику технологічну трансформацію, що призводить до всебічних економічних та соціальних змін. Ось короткий огляд того, чого очікується від цієї технології.

Наступне покоління обчислювальних технологій

Квантові обчислення (КК) – це наступне покоління обчислювальних технологій, що використовують квантову фізику.

У той час як класичні обчислення спираються на біт, свою базову одиницю, квантові обчислення спираються на кубіт — або будь-яке значення між кубітами, або будь-яку їх комбінацію.

У той час як біт існує згідно з двійковою логікою — він або 0, або 1, вимкнений або увімкнений — кубіт може існувати одночасно як у стані 0, так і в стані 1, що називається «суперпозицією».

«Заплутаність» – це ще одне фундаментальне явище, яке надає QC її сили. Коли два або більше кубітів заплутані, вони діють як єдина система, подібно до шестерень, заплутаних у коробці передач, так що зміна одного кубіта змінює всі інші, з якими він заплутаний. Це означає, що одна операція може одночасно впливати на стани багатьох кубітів.

Результатом є разюче потужніший новий тип обчислень.

До 2030 року у світі може бути від 2000 до 5000 квантових комп'ютерів. У 2018 році їх було менше десятка.

Комп'ютери, які стали експоненціально потужнішими

1. Квантовий комп'ютер може вирішити проблему, для якої знадобиться кластер із 512 графічних процесорів

КК має потенціал вирішувати проблеми, які є експоненціально складнішими, ніж ті, які можуть вирішити класичні обчислення.

Квантовий комп'ютер з 1000 кубітів (який, за прогнозами, з'явиться через 2-3 роки) зможе працювати одночасно з 10³⁰¹ (це одиниця, за якою йде 301 нуль) різними так званими «станами інформації».

«Стан» у цьому контексті означає одне з можливих рішень даної проблеми. Більшість можливих рішень будуть неправильними, тому чим більше станів ми можемо дослідити, тим більше наших шансів знайти найкраще рішення.

Дві архітектури, два часові рамки

Квантові відпалювачі спеціалізовані на завданнях оптимізації. Авіакомпанія може використовувати такий комп'ютер для підготовки оптимального графіка маршрутів літаків, який мінімізує використання палива, водночас забезпечуючи дотримання графіків усіх пасажирів.

Вони почнуть мати комерційний вплив через 2-5 років

 

Квантові комп'ютери на основі вентилів універсальні, а це означає, що вони зможуть обчислювати широкий спектр задач. У майбутньому фармацевтична компанія використовуватиме його для моделювання нових лікарських сполук, досліджуючи дію мільйонів з них без необхідності їх синтезувати та тестувати.

Вони почнуть мати комерційний вплив через 7-10 років

Квантові технології

Надпровідні кубіти

Одна з провідних технологічних платформ для розробки квантових комп'ютерів. IBM, Google, D-Wave та інші використовують це на практиці. Надпровідні системи зазвичай працюють при дуже низьких температурах, близьких до абсолютного нуля, щоб створити відповідні умови для квантових обчислень.

Квантові мережі

Квантові мережі дозволяють передавати квантово заплутану інформацію по каналах зв'язку. Вони є однією з передових технологій QKD і дозволять покращити безпеку та збільшити пропускну здатність.

Квантовий розподіл ключів (КРК)

Безпечний метод зв'язку, який реалізує криптографічний протокол, що включає компоненти квантової механіки. Це дозволяє двом сторонам створити спільний випадковий секретний ключ, відомий лише їм, ключ, який потім можна використовувати для шифрування та розшифрування повідомлень. Він обіцяє бути невразливим до шпигунства або атак типу «людина посередині».

Квантовий датчик

Пристрій, який працює, виявляючи зміни мікрогравітації, використовуючи принципи квантової фізики, що базуються на маніпуляції природою на субмолекулярному рівні. Квантові датчики використовують властивості квантової механіки, такі як квантова заплутаність, квантова інтерференція та квантове стискання станів, щоб перевершити поточні обмеження в сенсорних технологіях та обійти принцип невизначеності.

Квантові іонні кубіти

Квантові іонні пастки – це ще одна технологічна платформа, що використовується для розробки квантових комп'ютерів. Це передбачає використання електромагнітної сили для утримання іонів у вільному просторі. lonQ є провідним прихильником цього підходу.

Архітектури відпалу

Архітектура відпалу є простішою, заснованою на ідеї знаходження стану з найнижчою енергією в квантовій системі. Цей стан з найнижчою енергією відповідає оптимальному розв'язку задачі оптимізації.

Архітектури воріт

Архітектури вентилів використовують квантовий еквівалент логічних вентилів, які служать будівельними блоками центральних процесорів на основі кремнію. З огляду на цей факт, квантовий комп'ютер на основі вентилів може, принаймні теоретично, обчислювати той самий набір задач, що й традиційний комп'ютер.

Фотоніка

Фотонні системи покладаються на світлові імпульси та поляризацію світла для створення своїх кубітів. На відміну від більшості інших кубітних технологій, вони мають перевагу роботи за кімнатної температури, але, як правило, працюють набагато повільніше, ніж надпровідні кубіти. Xanadu є провідною компанією, яка застосовує фотонний підхід до контролю якості.

Постквантова криптографія (PQC)

Постквантова криптографія — це збірний термін для нових підходів до шифрування з відкритим ключем, стійких до квантових комп'ютерів. Процес вибору алгоритмів PQC керується Національним інститутом стандартів і технологій (NIST). Більшість великих організацій наслідують приклад NIST.

Квантові обчислення в хмарі

Апаратне забезпечення

Зазвичай компанії, яким потрібен контроль якості, не мають власних комп'ютерів. Ідея локальних квантових комп'ютерів наразі не є практичною з кількох ключових причин:

  • Квантові пристрої дорогі
  • Їхня експлуатація складна, а отже, дорога
  • Враховуючи, як часто квантові пристрої отримують оновлення від своїх виробників, окремий пристрій швидко застаріє.

Натомість кінцеві користувачі квантових комп'ютерів отримують до них доступ через хмарні сервіси.

Наразі існує два підходи до хмарного забезпечення контролю якості:

Плюси та мінуси двох підходів

Власна хмара

У цьому підході постачальники пропонують доступ до власних пристроїв контролю якості через власні хмарні сервіси. IBM є найважливішою компанією, яка дотримується цього підходу, пропонуючи контроль якості через свою мережу IBM Q Network.

Сильні сторони

Тісніша інтеграція між існуючою хмарною платформою постачальника та квантовою платформою. Зменшення затримки мережі між класичною хмарною платформою та квантовою платформою, що буде перевагою для програм з низькою затримкою (таких як виявлення шахрайства).

Слабкі сторони

Обмежений вибір варіантів серверної частини квантових обчислень

Потенціал для більш обмежувальних комерційних моделей

Небезпека прив'язки до постачальника

Публічна хмара

У такому підході провідні хмарні сервіси надають доступ до пристроїв контролю якості сторонніх постачальників. Наприклад, Amazon Braket пропонує доступ до D-Wave, rigetti, Oxford Quantum Circuits, IonQ та Xanadu, а також до інших програм, що розробляються. Microsoft Azure Quantum пропонує доступ до Quantinuum, IonQ, Quantum Circuits Inc, rigetti, PASQAL, 1QBit, Microsoft QIO та Toshiba SQBM+.

Сильні сторони

Використовує існуючі служби доступу та виставлення рахунків постачальника хмарних послуг, а також аналогічні спільні служби

Забезпечує легкий вхід до квантових комп'ютерів, зазвичай за моделлю «плати за використання»

Надає доступ до широкого спектру квантових комп'ютерів, що дозволяє порівнювати платформи та визначати відповідний пристрій для вирішення поточної проблеми.

Слабкі сторони

Тенденція до більшої затримки доступу до квантового пристрою через мережеві цикли обміну даними та черг.

Це, у свою чергу, створює проблеми в таких застосунках, як виявлення шахрайства та високочастотна торгівля, які мають вимоги до роботи в режимі реального часу або низької затримки, аж до того, що такі застосунки можуть бути непрактичними.

 

 

У майбутньому постачальники хмарних послуг можуть розміщувати квантові пристрої у своїх центрах обробки даних поряд з традиційним обладнанням для центральних та графічних процесорів, тим самим мінімізуючи ефекти затримки та забезпечуючи новий клас високопродуктивних, низькозатримувальних квантово-класичних гібридних застосувань, таких як виявлення шахрайства та високочастотна торгівля.

Програмне забезпечення/API

API та пов'язані з ними SDK, як правило, мають відкритий вихідний код та, за деякими винятками, написані мовою програмування Python.

Кожен провідний постачальник контролю якості зазвичай надає власні API для підтримки своїх пристроїв або послуг.

Деякі постачальники, такі як IonQ, вирішили підтримувати API інших постачальників, а не розробляти власні. Наприклад, IonQ підтримує Qiskit від IBM та Cirq. Такий підхід дозволяє, наприклад, легше портувати квантові алгоритми, написані на Qiskit для квантової машини IBM, для роботи на пристрої IonQ.

У майбутньому з'явиться невелика кількість стандартизованих API, наданих або зобов'язаних великими постачальниками технологій/хмарних послуг (IBM/Amazon/Microsoft), на основі яких постачальники обладнання для квантових обчислень будуватимуть свою базу.

Застосування у фінансових послугах

Прагнучи лідерства в контролі якості, фінансові установи, ймовірно, виявлять, що розвиток і утримання навичок і талантів стане ключовим полем битви. Лідери у застосуванні квантових технологій побачать значне зростання безпеки, операційної ефективності та результативності продукції, тоді як ті, хто відстає, побачать, як ці аспекти їхнього бізнесу погіршаться.

Хоча ми не очікуємо, що квантові комп'ютери будуть достатньо потужними для розшифрування сучасних криптосистем на основі PKI протягом принаймні 10-12 років, ще потрібно виконати значну роботу, щоб підготувати їх до протидії квантовим загрозам.

Каталізуючий ефект в інших секторах

Контроль якості має потенційно трансформаційні застосування в низці інших галузей.

Відкриття ліків

Квантові обчислення покращать процес розробки ліків, пришвидшивши ідентифікацію та моделювання молекул. Це перенесе експерименти з "мокрих" лабораторій до комп'ютерів, і дослідники матимуть доступ до хімічних комбінацій, на розробку яких за допомогою звичайних обчислень знадобилися б десятиліття.

Кібербезпека

Квантові комп'ютери справді загрожують основі безпеки сучасних мереж — криптографії з відкритим ключем RSA. Але квантова технологія також дозволить створити нові та ще безпечніші форми комунікації.

Логістика

QC трансформує наші ланцюги поставок, обробляючи безпрецедентно складні масиви даних, пов'язаних з виробничими потужностями, географією та інфраструктурою, погодними умовами, маршрутами, пропускною здатністю залізничних та судноплавних шляхів тощо.

Автомобільна промисловість

QC наблизиться до життєздатної екосистеми автономних транспортних засобів. Квантовий штучний інтелект та машинне навчання пришвидшать процес навчання необхідних алгоритмів. Класифікація зображень та затримка 3D-об'єктів також отримають користь від контролю якості.

Моделювання

Контроль якості (QC) надасть нові можливості в моделюванні реальності. Ми краще зможемо передбачати екстремальні погодні явища, складати карти зміни клімату, прогнозувати, як розвиток міст вплине на викиди, прогнозувати зростання населення — та багато іншого.

У міру того, як контроль якості набирає обертів, ми, природно, побачимо появу варіантів використання в численних секторах.

НОВІ ТЕХНОЛОГІЇ

Гравці в Квебеку зараз

Різноманітні постачальники обладнання створюють власні квантові комп'ютери, використовуючи низку різних основних фізичних явищ та застосовуючи як універсальні підходи на основі затворів, так і підхід квантового відпалу. До них належать:

Окрім постачальників апаратного забезпечення, кожен з яких зазвичай пропонує власні бібліотеки програмного забезпечення (наприклад, IBM qiskit, D-Wave Ocean, Google Cirq), існує також низка постачальників чисто квантового програмного забезпечення. Серед них:

Зростання ринку Квебеку

2016

89 мільйонів доларів

світовий ринок квантових обчислень

2025 рік

949 млн доларів США

світовий ринок квантових обчислень (прогноз)

30% річного темпу зростання з 2017 по 2025 рік

Великий потенціал попереду

Квантові комп'ютери будуть придатними для певних завдань. У найближчій перспективі квантові комп'ютери досягнуть успіху у вирішенні складних числових задач і співіснуватимуть з існуючими класичними комп'ютерами, що дозволить створювати квантово-класичні гібридні системи. Гібридність важлива, оскільки в той час як класичні обчислення надають готові результати, квантові комп'ютери надають результати у вигляді розподілів ймовірностей, генеруючи набори відповідей, які потім можуть вимагати аналізу за допомогою класичних комп'ютерів. У майбутньому контроль якості має потенціал для трансформації. Це призведе до величезних покращень у певних сферах, надавши нам засоби для створення революційно нових ліків, оптимізації роботи наших фінансових ринків, захисту наших мереж, розуміння складних систем, від екології Землі до глобальних мереж попиту та пропозиції — та багато іншого. Що ж до його максимального ефекту, то горизонт відкритий. Значні зміни очікуються на соціальному та економічному рівнях: як і класичні обчислення, контроль якості буде всебічно трансформуючим з точки зору того, як ми живемо. Але історію ще належить написати, і наступні кілька десятиліть стануть свідками того, що наші найкращі уми можуть зробити з цим потужним новим інструментом.