Автор: Бахмат М.
Квантовые вычисления — это новая парадигма вычислений, использующая законы квантовой механики для моделирования и решения сложных проблем, которые слишком трудны для современных классических компьютеров. В отличие от классических компьютеров, использующих двоичные электрические сигналы, представляющие единицы или нули (биты), квантовые компьютеры используют квантовые биты, или кубиты.
- Что такое квантовые вычисления? Объяснение ключевых концепций
- Рождение и эволюция квантовых технологий
- Ключевые игроки, движущие инновации в квантовых вычислениях
- Обзор квантового аппаратного и программного обеспечения
- Потенциальные применения квантовых вычислений
- Текущее состояние квантовой индустрии и вызовы
Что такое квантовые вычисления? Объяснение ключевых концепций
В основе квантовых вычислений лежат такие принципы, как суперпозиция и запутанность. В то время как классический бит может находиться только в состоянии 0 или 1, кубит благодаря суперпозиции может существовать в комбинации обоих состояний 0 и 1 одновременно. Чем больше кубитов у квантового компьютера, тем больше его потенциал для крупномасштабных вычислений при решении задач. Квантовые компьютеры предлагают принципиально иной подход к вычислениям, обрабатывая одновременно множество возможностей, что потенциально позволяет решать определенные проблемы экспоненциально быстрее, чем классические компьютеры.
Рождение и эволюция квантовых технологий
Идея создания системы, использующей принципы физики для моделирования сложных проблем, впервые была предложена в 1980-х годах. Эта концепция позже была подкреплена такими разработками, как первый известный квантовый алгоритм для взлома шифрования, разработанный математиком из MIT Питером Шором в 1990-х годах. С 2000 года квантовые вычисления стали значительным направлением для технологических компаний, что привело к гонке за созданием первого практического квантового компьютера. Сейчас считается, что мы твердо вошли в эру квантовой полезности, то есть квантовые компьютеры для определенных задач лучше справляются с квантовыми вычислениями, чем классические компьютеры, что позволяет пользователям открывать новые алгоритмы и искать квантовые преимущества.
Ключевые игроки, движущие инновации в квантовых вычислениях
Многие компании активно работают в зарождающейся сфере квантовых вычислений.
- Google Quantum AI работает над созданием квантовых вычислений для решения проблем, которые иначе невозможно решить. Они представили чипы, такие как Willow, и нацелены на создание миллиона кубитов к концу десятилетия. (См. квантовый компьютер Google, квантовые вычисления Google)
- Microsoft недавно представила Majorana 1, квантовый чип на базе новой архитектуры Topological Core. Эта архитектура использует новый стек материалов для создания нового типа кубита, разработанного для стабильности и масштабируемости. Microsoft стремится разместить миллион кубитов на одном чипе, который поместится на ладони, что считается необходимым порогом для решения важных проблем. Они исследуют майорановские фермионы как кубиты, которые хранят информацию нелокально, делая их по своей сути устойчивыми к шуму. (См. квантовые вычисления Microsoft)
- IBM сосредоточена на том, чтобы сделать полезные квантовые вычисления доступными миру. Они выпустили процессоры, такие как Osprey (433 кубита), и разрабатывают Heron (133 кубита). IBM ставит целью создать 100 000-кубитную машину в течение 10 лет. Они предлагают услуги квантовых вычислений через облако и разрабатывают видение квантово-центричных суперкомпьютеров.
- Pasqal – еще один игрок, фокусирующийся на технологии нейтральных атомов.
- Другие компании, упомянутые в источниках, включают D-Wave Systems, IonQ, Rigetti Computing, Honeywell, Intel, PsiQuantum, Atom Computing, Alpine Quantum Technologies, Fujitsu, Xanadu и Infleqtion.
Обзор квантового аппаратного и программного обеспечения
Системы квантовых вычислений включают как специализированные аппаратные, так и программные компоненты. Что касается аппаратного обеспечения, существуют различные технологии кубитов (см. квантовый процессор). Эти системы часто требуют криогенных сред с чрезвычайно низкими температурами и специализированного оборудования. Например, IBM разрабатывает 4K крио-CMOS контроллер кубитов для управления кубитами изнутри холодильника. Топологическая архитектура кубитов Microsoft включает алюминиевые нанопровода, соединенные в форме H, где каждая H содержит четыре контролируемых майораны и образует один кубит.
Программные инструменты и платформы являются ключевыми для взаимодействия с квантовым аппаратным обеспечением. Google предлагает документацию Cirq и инструменты с открытым кодом. IBM предоставляет Qiskit SDK для полезных квантовых вычислений и Qiskit Serverless для выполнения рабочих нагрузок на квантовых и классических ресурсах. Google Quantum AI также выделяет стандартные программные инструменты, такие как Stim и Crumble. Разработка для квантовой коррекции ошибок является ключевой сферой, для которой доступны образовательные ресурсы.
Потенциальные применения квантовых вычислений
Квантовые вычисления теоретически способны решать бизнес-проблемы, которые не под силу существующим технологиям. Хотя они все еще находятся на ранней стадии разработки, потенциальные сферы применения квантовых вычислений в бизнесе включают:
- Открытие лекарств и медицинские исследования.
- Финансовое моделирование и управление рисками.
- Материаловедение и изобретение новых материалов.
- Задачи оптимизации, такие как цепи поставок и производственные процессы.
- Улучшение искусственного интеллекта (ИИ), что ведет к Квантовому искусственному интеллекту (Quantum AI) для более быстрого обучения, лучшего распознавания образов и более мощных моделей. Исследования ИИ и квантовых вычислений открывают новые горизонты.
- Кибербезопасность: квантовые вычисления и искусственный интеллект создают как угрозы для текущего шифрования, так и предлагают новые квантово-устойчивые криптографические протоколы.
- Прогнозирование погоды и моделирование климата.
- Применения в автомобильной промышленности, такие как беспилотные транспортные средства и оптимизация управления дорожным движением.
Квантовые вычисления и ИИ могут позволить проектировать вещи правильно с первого раза, трансформируя отрасли от здравоохранения до разработки продуктов. Мощность квантовых вычислений ИИ, в сочетании с инструментами ИИ, может позволить описать желаемый новый материал или молекулу простым языком и получить прямой, рабочий ответ. Остается вопрос: помогут ли квантовые компьютеры ИИ достичь новых высот? Многие верят, что это приведет к настоящему прорыву в области ИИ.
Текущее состояние квантовой индустрии и вызовы
Индустрия квантовых вычислений все еще находится на ранних стадиях зрелости, но быстро развивается. Хотя квантовые компьютеры появляются в новостях благодаря решению определенных проблем, текущее состояние квантовых вычислений показывает, что они еще не готовы к запуску крупномасштабных моделей ИИ или обработке огромных объемов данных, необходимых для многих алгоритмов машинного обучения/ИИ. Некоторые эксперты прогнозируют, что может потребоваться еще 15-20 лет, прежде чем квантовый искусственный интеллект станет массовым. Прогнозируется значительный рост рынка квантовых вычислений: Fortune Business Insights прогнозирует рост с $928,8 млн до $6,5 млрд к 2030 году. Инвестиции в эту область значительны. Некоторые компании уже ожидают инвестировать более $15 млн ежегодно в квантовые вычисления.
Однако остаются значительные вызовы:
- Масштабирование кубитов и управление ошибками: Компании все еще работают над масштабированием количества физических кубитов и оптимизацией их взаимодействия. Снижение уровня ошибок, или шума, в квантовых вычислениях является основным направлением разработки. Кубиты хрупкие и чувствительны к шуму, декогеренции и теплу. Квантовая коррекция и смягчение ошибок являются критически важными направлениями исследований и разработок для перехода от текущей эры “Шумных квантовых компьютеров промежуточного масштаба” (NISQ) к более устойчивым, отказоустойчивым квантовым компьютерам.
- Стабильность и контроль аппаратного обеспечения: Практическая реализация затрудняется проблемами точности и отсутствием стабильности аппаратного обеспечения. Создание масштабируемого аппаратного обеспечения для квантовых технологий остается серьезной проблемой. Точный контроль отдельных кубитов в больших масштабах и решение проблем охлаждения для миллионов кубитов являются инженерными задачами.
- Стоимость: Технология является дорогой (цена квантовых технологий высока), требуя сложных технологий охлаждения и специализированного оборудования.
- Дефицит талантов: Существует дефицит навыков, экспертов трудно найти вне исследовательских и академических кругов. McKinsey прогнозирует, что к 2025 году менее половины вакансий в квантовой сфере будет заполнено.
- Незрелость квантовых алгоритмов и программного обеспечения: Большинство квантовых алгоритмов существуют только в теории, а не реализованы на квантовых компьютерах. Сегодняшние квантовые вычисления все еще полагаются на классические вычислительные сети и протоколы для функций и уменьшения ошибок. Сложность управления и количество областей, требующих решения для экономической жизнеспособности квантовых вычислений, все еще рассматриваются.
- Стандартизация и взаимодействие: Стандарты для квантовых вычислений развиваются медленно.
- Квантовая безопасность: Потенциал квантовых компьютеров взламывать существующее шифрование подчеркивает критическую необходимость перехода к стандартам квантово-устойчивой криптографии. Этот переход важен для сохранения целостности механизмов цифрового доверия. Организации в среднем ожидают, что полная интеграция квантово-безопасных стандартов займет 12 лет, в то время как руководство по национальной безопасности требует соответствия к 2035 году. (См. квантовый апокалипсис)
Несмотря на эти вызовы, прогресс стабилен. Прорывы в смягчении и коррекции ошибок обещают сократить сроки. Развитие квантовой экосистемы и появление новых вариантов использования обещают значительную ценность для отраслей. Понимание и принятие этой эволюции является ключевым для бизнеса, чтобы формировать будущее Квантового ИИ и быть готовым к прорыву в области ИИ. Инвестирование в квантовые технологии сегодня важно для бизнеса, чтобы оставаться на переднем крае инноваций.
