Розуміння основ квантових обчислень

Автор: Бахмат М.

Квантові обчислення — це нова парадигма обчислень, що використовує закони квантової механіки для моделювання та розв’язання складних проблем, які є надто важкими для сучасних класичних комп’ютерів. На відміну від класичних комп’ютерів, які використовують двійкові електричні сигнали, що представляють одиниці або нулі (біти), квантові комп’ютери використовують квантові біти, або кубіти.

• Що таке квантові обчислення? Пояснення ключових концепцій
• Народження та еволюція квантових технологій
• Ключові гравці, що рухають інновації у квантових обчисленнях
• Огляд квантового апаратного та програмного забезпечення
• Потенційні застосування квантових обчислень
• Поточний стан квантової індустрії та виклики

Що таке квантові обчислення? Пояснення ключових концепцій

В основі квантових обчислень лежать такі принципи, як суперпозиція та заплутаність. Тоді як класичний біт може перебувати лише у стані 0 або 1, кубіт завдяки суперпозиції може існувати в комбінації обох станів 0 і 1 одночасно. Чим більше кубітів має квантовий комп’ютер, тим більший його потенціал для великомасштабних обчислень при розв’язанні задач. Квантові комп’ютери пропонують принципово інший підхід до обчислень, обробляючи одночасно безліч можливостей, що потенційно дозволяє розв’язувати певні проблеми експоненційно швидше, ніж класичні комп’ютери.

Народження та еволюція квантових технологій

Ідея створення системи, яка використовує принципи фізики для моделювання складних проблем, вперше була запропонована у 1980-х роках. Ця концепція пізніше була підкріплена такими розробками, як перший відомий квантовий алгоритм для злому шифрування, розроблений математиком з MIT Пітером Шором у 1990-х роках. З 2000 року квантові обчислення стали значним напрямком для технологічних компаній, що призвело до гонитви за створенням першого практичного квантового комп’ютера. Зараз вважається, що ми твердо увійшли в еру квантової корисності, тобто квантові комп’ютери для певних завдань краще справляються з квантовими обчисленнями, ніж класичні комп’ютери, що дозволяє користувачам відкривати нові алгоритми та шукати квантові переваги.

Ключові гравці, що рухають інновації у квантових обчисленнях

Багато компаній активно працюють у сфері квантових обчислень, що тільки зароджується.

• Google Quantum AI працює над створенням квантових обчислень для розв’язання проблем, які інакше неможливо вирішити. Вони представили чіпи, такі як Willow, і мають на меті створити мільйон кубітів до кінця десятиліття.
• Microsoft нещодавно представила Majorana 1, квантовий чіп на базі нової архітектури Topological Core. Ця архітектура використовує новий стек матеріалів для створення нового типу кубіта, розробленого для стабільності та масштабованості. Microsoft прагне розмістити мільйон кубітів на одному чіпі, який поміститься на долоні, що вважається необхідним порогом для розв’язання важливих проблем. Вони досліджують майоранівські ферміони як кубіти, які зберігають інформацію нелокально, роблячи їх за своєю суттю стійкими до шуму.
• IBM зосереджена на тому, щоб зробити корисні квантові обчислення доступними світу. Вони випустили процесори, такі як Osprey (433 кубіти), і розробляють Heron (133 кубіти). IBM ставить за мету створити 100 000-кубітну машину протягом 10 років. Вони пропонують послуги квантових обчислень через хмару та розробляють бачення квантово-центричних суперкомп’ютерів.
• Pasqal – ще один гравець, що фокусується на технології нейтральних атомів.
• Інші компанії, згадані в джерелах, включають D-Wave Systems, IonQ, Rigetti Computing, Honeywell, Intel, PsiQuantum, Atom Computing, Alpine Quantum Technologies, Fujitsu, Xanadu та Infleqtion.

Огляд квантового апаратного та програмного забезпечення

Системи квантових обчислень включають як спеціалізовані апаратні, так і програмні компоненти. Щодо апаратного забезпечення, існують різні технології кубітів. Ці системи часто вимагають кріогенних середовищ з надзвичайно низькими температурами та спеціалізованого обладнання. Наприклад, IBM розробляє 4K кріо-CMOS контролер кубітів для управління кубітами зсередини холодильника. Топологічна архітектура кубітів Microsoft включає алюмінієві нанодроти, з’єднані у формі H, де кожна H містить чотири контрольовані майорани і утворює один кубіт.

Програмні інструменти та платформи є ключовими для взаємодії з квантовим апаратним забезпеченням. Google пропонує документацію Cirq та інструменти з відкритим кодом. IBM надає Qiskit SDK для корисних квантових обчислень та Qiskit Serverless для виконання робочих навантажень на квантових та класичних ресурсах. Google Quantum AI також виділяє стандартні програмні інструменти, такі як Stim та Crumble. Розробка для квантової корекції помилок є ключовою сферою, для якої доступні освітні ресурси.

Потенційні застосування квантових обчислень

Квантові обчислення теоретично здатні розв’язувати бізнес-проблеми, які не під силу існуючим технологіям. Хоча вони все ще перебувають на ранній стадії розробки, потенційні сфери застосування в бізнесі включають:

• Відкриття ліків та медичні дослідження.
• Фінансове моделювання та управління ризиками.
• Матеріалознавство та винахід нових матеріалів.
• Задачі оптимізації, такі як ланцюги постачання та виробничі процеси.
• Покращення штучного інтелекту (ШІ), що веде до Квантового штучного інтелекту (Quantum AI) для швидшого навчання, кращого розпізнавання образів та потужніших моделей. Дослідження ШІ та квантових обчислень відкривають нові горизонти.
• Кібербезпека: квантові обчислення та штучний інтелект створюють як загрози для поточного шифрування, так і пропонують нові квантово-стійкі криптографічні протоколи.
• Прогнозування погоди та моделювання клімату.
• Застосування в автомобільній промисловості, такі як безпілотні транспортні засоби та оптимізація управління дорожнім рухом.

Квантові обчислення і ШІ можуть дозволити проектувати речі правильно з першого разу, трансформуючи галузі від охорони здоров’я до розробки продуктів. Потужність квантових обчислень ШІ, у поєднанні з інструментами ШІ, може дозволити описати бажаний новий матеріал або молекулу простою мовою та отримати пряму, робочу відповідь. Залишається питання: чи допоможуть квантові комп’ютери ШІ досягти нових висот? Багато хто вірить, що це призведе до справжнього прориву у сфері ШІ.

Поточний стан квантової індустрії та виклики

Індустрія квантових обчислень все ще перебуває на ранніх стадіях зрілості, але швидко розвивається. Хоча квантові комп’ютери з’являються в новинах завдяки розв’язанню певних проблем, поточні дані свідчать, що вони ще не готові до запуску великомасштабних моделей ШІ або обробки величезних обсягів даних, необхідних для багатьох алгоритмів машинного навчання/ШІ. Деякі експерти прогнозують, що може знадобитися ще 15-20 років, перш ніж квантовий штучний інтелект стане масовим. Прогнозується значне зростання ринку: Fortune Business Insights прогнозує зростання з $928,8 млн до $6,5 млрд до 2030 року. Інвестиції в цю галузь є значними. Деякі компанії вже очікують інвестувати понад $15 млн щорічно в квантові обчислення.

Однак залишаються значні виклики.

• Масштабування кубітів та управління помилками: Компанії все ще працюють над масштабуванням кількості фізичних кубітів та оптимізацією їх взаємодії. Зменшення рівня помилок, або шуму, в квантових обчисленнях є основним напрямком розробки. Кубіти крихкі та чутливі до шуму, декогеренції та тепла. Квантова корекція та пом’якшення помилок є критично важливими напрямками досліджень та розробок для переходу від поточної ери “Шумних квантових комп’ютерів проміжного масштабу” (NISQ) до більш стійких, відмовостійких квантових комп’ютерів.
• Стабільність та контроль апаратного забезпечення: Практична реалізація ускладнюється проблемами точності та відсутністю стабільності апаратного забезпечення. Створення масштабованого апаратного забезпечення для квантових технологій залишається серйозним викликом. Точний контроль окремих кубітів у великих масштабах та вирішення проблем охолодження для мільйонів кубітів є інженерними завданнями.
• Вартість: Технологія є дорогою, вимагаючи складних технологій охолодження та спеціалізованого обладнання.
• Дефіцит талантів: Існує дефіцит навичок, експертів важко знайти поза дослідницькими та академічними колами. McKinsey прогнозує, що до 2025 року менше половини вакансій у квантовій сфері буде заповнено.
• Незрілість квантових алгоритмів та програмного забезпечення: Більшість квантових алгоритмів існують лише в теорії, а не реалізовані на квантових комп’ютерах. Сучасні квантові обчислення все ще покладаються на класичні обчислювальні мережі та протоколи для функцій та зменшення помилок. Складність управління та кількість сфер, що потребують вирішення для економічної життєздатності квантових обчислень, все ще розглядаються.
• Стандартизація та взаємодія: Стандарти для квантових обчислень розвиваються повільно.
• Квантова безпека: Потенціал квантових комп’ютерів зламувати існуюче шифрування підкреслює критичну необхідність переходу до стандартів квантово-стійкої криптографії. Цей перехід є важливим для збереження цілісності механізмів цифрової довіри. Організації в середньому очікують, що повна інтеграція квантово-безпечних стандартів займе 12 років, тоді як керівництво з національної безпеки вимагає відповідності до 2035 року.

Незважаючи на ці виклики, прогрес є стабільним. Прориви в пом’якшенні та корекції помилок обіцяють скоротити терміни. Розвиток квантової екосистеми та поява нових варіантів використання обіцяють значну цінність для галузей. Розуміння та прийняття цієї еволюції є ключовим для бізнесу, щоб формувати майбутнє Квантового ШІ та бути готовим до прориву у сфері ШІ. Інвестування в квантові технології сьогодні є важливим для бізнесу, щоб залишатися на передньому краї інновацій.