Суперкомпьютеры с каждым годом наращивают вычислительные мощности, но многие специалисты считают, что настоящего прорыва в вычислениях удастся достигнуть только с помощью квантовых компьютеров. Научный сотрудник подразделения облачных и инфраструктурных услуг консалтинговой компании Wipro Limited Аравинд Аджад Ярра и его коллега, научный сотрудник — главный технолог Саджи Топпил рассказывают на портале Information Age об предназначении квантовых вычислений, о том где они уже применяются и попутно развенчивают окружающие их мифы.
Профильные СМИ неустанно дразнят сегодняшних лидеров бизнеса информацией о разрушительной мощи квантовых вычислений и потенциальных выгодах от их применения в искусственным интеллектом, машинном обучении и науке о данных. Согласно прогнозу Gartner, в 2023 г. 95% организаций будут применять их в виде облачного сервиса (квантовые вычисления как услуга, quantum-computing-as-a-service) для минимизации рисков и сокращения расходов. Кроме того, в том же году 20% организаций будут выделять для квантовых проектов отдельные бюджеты, тогда как сегодня это делает менее 1%.
Просто о сложном: что такое квантовые вычисления
Большинство людей изучало квантовую механику в средней школе и наверняка было озадачено ее странными характеристиками. Квантовая механика — это физика, которая «располагается» на атомном и субатомном уровнях. Идея квантовых вычислений родилась из мысли о применении физики квантовой механики для обработки данных. Современные вычисления в значительной степени основаны на алгебре логики (Boolean algebra) двоичных битов, которые принимают значение 0 или 1. С другой стороны, в квантовых вычислениях задействуются квантовые биты (кубиты), логика которых отличается от классических битов — они находятся в состоянии квантовой суперпозиции, где каждый кубит может принимать значение 0 и 1 одновременно.
Почему бизнес заинтересовался квантовыми вычислениями
Это одно из самых впечатляющих открытий в современной истории вычислений. Закон Мура на протяжении многих лет гарантировал регулярный цикл инноваций в вычислительной технике и раздвигал границы деловых возможностей, превратив ПО в движущую силу цифрового бизнеса. Он по-прежнему действует, но его возможности подобрались к пределу и теперь человечество с нетерпением ждет, какой шаг вычислительной техники будет следующим. Во многом его рассматривают как прорыв, который позволит и впредь поддерживать цикл компьютерных инноваций.
Ажиотаж вокруг квантовых вычислений настолько велик, что некоторые люди думают о них как о замене традиционных компьютеров. Однако это заблуждение. Свойство суперпозиции кубитов, о котором упоминалось выше, действительно дает квантовым вычислениям некоторые уникальные преимущества, которых нет у традиционных вычислений. Проще говоря, оно позволяет квантовым компьютерам быстро решать определенные классы задач, на решение которых классическим компьютерам потребовались бы годы.
Какие задачи могут решать квантовые компьютеры, что неподвластно традиционным компьютерам
Квантовые компьютеры не стоит рассматривать как более громоздкие или быстрые версии классических компьютеров. Важно понять следующее: они принципиально отличаются от общепринятой схемы вычислений и приносят пользу в тех областях, где возможности обычных компьютеров ограничены. В настоящее время с их помощью решаются отдельные классы задач, в частности, проблемы оптимизации, одной из которых является решение классической «задачи коммивояжера». Это важная задача транспортной логистики, отрасли, занимающейся планированием транспортных перевозок. Коммивояжеру, чтобы распродать нужные в хозяйстве товары, следует объехать n пунктов и в конце концов вернуться в исходный пункт. Требуется определить наиболее выгодный маршрут объезда. В качестве меры выгодности маршрута может служить суммарное время в пути, суммарная стоимость дороги или, в простейшем случае, длина маршрута.
Число городов, для которых эта проблема актуальна, продолжает расти и классическим компьютерам все труднее найти оптимальное решение. Квантовые компьютеры оказались очень полезными для этих классов задач, что делает целесообразным их применение в таких областях, как анализ генов, открытие новых лекарств, химический синтез, моделирование погодных условий, новые типы шифрования, неструктурированный поиск и модернизация глубоких нейронных сетей.
Какие квантовые компьютеры в настоящее время доступны
Сегодня для квантовых вычислений применяется два типа машин: схемотехнические компьютеры (они же универсальные квантовые компьютеры) и адиабатические компьютеры. Универсальные квантовые компьютеры состоят из логических схем и работают по тем же принципам логики, что и классические компьютеры. Следовательно, их применяют для решения вычислительных задач, которые пополняют общую базу знаний. Однако, чтобы получить на выходе схемотехнические квантовые компьютеры, в первую очередь придется решить проблему физической реализации кубитов, чему препятствует их нестабильная природа. Если она будет решена — тогда будет налажено массовое производство универсальных квантовых машин.
Адиабатические компьютеры являются аналоговыми, их проще производить и они более приспособлены поддерживать кубиты в состоянии стабильности. Адиабатическая теорема гарантирует, что при достаточно медленной эволюции система будет оставаться в основном состоянии. Следовательно, в теории адиабатические компьютеры могут работать на базе тысяч кубитов, но их практическая работа ограничена несколькими сценариями, такими как решение проблем оптимизации.
На какую модель стоит делать ставку предприятию
В то время как большинство платформенных компаний, которые работают над созданием квантовых компьютеров, выбирают из той или другой модели, предприятия могут изучить обе. Применение адиабатических вычислений ограничено самой их спецификой, но на рынке присутствуют готовые промышленные системы такого класса на базе реальных квантовых битов (например, DWave), а также компьютеры производства Atos и Fujitsu, которые используют цифровые кубиты Digital Annealer Unit (DAU). Схемотехнические компьютеры имеют гораздо более общее назначение. Однако хотя они выглядят для предприятий предпочтительнее адиабатических компьютеров, их текущий уровень развития не позволяет решать задачи, которые требуются бизнесу. К выбору класса компьютеров следует подходить основываясь на том, какую задачу предприятию нужно решить.
Как определить варианты применения квантовых вычислений
Лучший способ — изучить области, где классические компьютеры показывают свою несостоятельность, лучшей отправной точкой для большинства предприятий являются проблемы оптимизации. Они могут быть разными в зависимости от отраслевой принадлежности. К их числу принадлежат моделирование рисков, инвентаризация, оптимизация активов и др. Еще одной областью применения квантовых компьютеров могут быть сценарии криптографии. Когда в продаже появятся квантовые компьютеры, следует быть готовым к тому, что с их помощью хакеры взломают современные методы шифрования, и это может привести к раскрытию конфиденциальных данных. Чтобы предотвратить подобное развитие событий, важно выделить наиболее ценные и чувствительные к взлому массивы информации и обезопасить их за счет методов шифрования с использованием квантовой генерации и распределения ключей.
Помимо шифрования перспективной областью применения квантовых вычисления является машинное обучение. Квантовое машинное обучение, как его называют, базируется на квантовых схемах специального назначения, которые могут значительно повысить эффективность алгоритмов машинного обучения.
Какие отрасли станут пионерами квантовых вычислений
В числе первых будут фармацевтическая и нефтегазовая отрасли, ориентированные на процессы. Квантовые вычисления нужны ими для сложных задач оптимизации, которые требуется время от времени решать. Помимо этих отраслей варианты их применения изучает обрабатывающая промышленность, а также банки и другие финансовые компании, которые нуждаются в моделировании рисков.
Существуют ли примеры реального применения квантовых вычислений
Пока что рано говорить о реальных сценариях применения квантовых компьютеров. Исследовательские лаборатории демонстрируют работу квантовых методов связи для мгновенной передачи данных со спутника или взлом различных методов шифрования, но они все еще не готовы выйти за их стены. Причина этого заключается в том, что надежность работы квантовых компьютеров оставляет желать лучшего. Кубиты очень чувствительны и подвержены ошибкам, тогда как современные методы их исправления снижают эффективность рабочих кубитов. Первоначально это удалось установить с помощью DAU, которые моделируют адиабатические квантовые вычисления с применением традиционных цифровых компьютеров.
Не так давно появились первые возможности для ознакомления широкой общественности с квантовыми системами. Например, краудсорсинговый хаб для удаленно работающих дизайнеров, разработчиков и аналитиков данных Topcoder (принадлежит Wipro) в настоящее время работает с Fujitsu над проведением серии испытаний для решения реальных проблем, которыми делятся разработчики, с помощью DAU. Кроме того, чтобы решить некоторые из своих задач, Airbus запустил программу Quantum Computing Challenge.
Какие квантовые технологии помимо вычислений заслуживают внимания предприятий
Квантовые технологии также привлекательны в области связи, криптографии, датчиков и измерений. В отличие от квантовых вычислений, где практические примеры использования все еще находятся на стадии исследования, в этих областях есть готовые промышленные продукты. В квантовой связи применяются потоковые фотоны. Технология позволяет убедиться, достигли ли получателя потоки одиночных фотонов, которые подаются в непрерывном режиме. Их невозможно разделить, измерить, скопировать или незаметно убрать. Из-за подобных действий фотон просто разрушается и не может дойти до своего получателя, что позволяет обеспечить безопасную связь.
Если квантовая генерация ключей (quantum key generation, QKG) используется для генерации случайных ключей, то квантовое распределение ключей (quantum key distribution, QKD) требуется для безопасного распределения ключей. Обе технологии необходимы для работы криптосистемы одноразовых блокнотов, которая считается Святым Граалем в шифровании. Кроме того, квантовые датчики могут применяться в областях, где существует необходимость в высокоточных измерениях гравитации, электрических полей, времени, положения и магнитного поля. Условия жесткой конкуренции предполагают, что все больше предприятий захотят использовать их для создания уникальных предложений.
Как выглядит бизнес-модель для квантовых вычислений на предприятии
Учитывая характер эволюции квантовых вычислений, придумать предварительное экономическое обоснование для квантовых вычислений непросто. Но если отталкиваться от их потенциала, его можно разделить на две стадии. Первая — сосредоточиться на краткосрочных
Отдача от этих инвестиций заложила бы основу второй стадии, где реализация квантовых проектов нацелена на средне- и долгосрочную (2+ года) перспективу. К ним можно отнести изучение машинного обучения и поиска неструктурированных данных в рамках центров инноваций и сообществ открытых инноваций. Инвестиции на этой стадии будут менее затратными, но с более длительным периодом окупаемости.
