Автор: Бахмат М.
Поки що квантові обчислення не дають відчутних переваг перед традиційними обчисленнями ні в комерційному, ні в науковому середовищі. Але ми вже спостерігаємо зростання кількості кубітів, появу перших серйозних квантових проєктів від технологічних лідерів та надходження інвестицій. За дан8ими Fortune, обсяг світового ринку квантових обчислень за десять років зросте з $1,16 млрд до $12,62 млрд до 2034 року, тобто протягом десятирічного періоду щорічно приростатиме на 34,8%. У Boston Consulting Group зазначають, що останні 7-8 років кількість кубітів — а це ключові показники квантової потужності — подвоюється кожні рік-півтора, і ця тенденція збережеться найближчим часом. Крім того, на фоні загального зниженняінвестицій у технології саме квантові обчислення демонструють стабільне зростання і продовжують залучати мільярди доларів від венчурних інвесторів.
Нижче ми розглянемо основи квантових обчислень, щоб дати загальне розуміння про цю технологію, її вплив на ринок обчислень та розповісти про практичні можливості застосування.
- Що таке квантові обчислення? Пояснення ключових концепцій
- Народження та еволюція квантових технологій
- Переваги та обмеження квантових обчислень
- Ключові гравці, які рухають інновації у квантових обчисленнях
- Огляд квантового апаратного та програмного забезпечення
- Потенційне застосування квантових обчислень
- Поточний стан квантової індустрії та виклики
- Основи квантових обчислень: найголовніше
Що таке квантові обчислення? Пояснення ключових концепцій
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, що використовують двійкові електричні сигнали, що представляють одиниці або нулі (біти), квантові комп’ютери використовують квантові біти або кубіти.
Кубіт — це квантовий аналог класичного біта. Його особливість у цьому, що може перебувати у стані 0 чи 1, а й у їх комбінації. Для реалізації кубітів застосовують різні фізичні системи: надпровідникові ланцюги, іонні пастки, фотони чи нейтральні атоми.
В основі квантових обчислень лежать такі принципи, як суперпозиція та заплутаність:
Суперпозиція — це здатність квантової системи існувати одночасно в кількох станах. Це означає, що кубіт може бути 0 і 1 одночасно з різною ймовірністю. Завдяки цьому квантовий комп’ютер здатний обробляти безліч варіантів рішення паралельно, а чи не послідовно, як класичний.
Заплутаність — це квантове явище, при якому стан одного кубіту безпосередньо пов’язаний зі станом іншого, навіть якщо вони знаходяться на великій відстані один від одного. Заплутані кубіти працюють узгоджено, що дозволяє збільшувати обчислювальні потужності та вирішувати завдання з високою взаємозалежністю даних.
Чим більше кубітів у квантового комп’ютера, тим більше його потенціал для великомасштабних обчислень під час вирішення завдань. Квантові комп’ютери пропонують принципово інший підхід до обчислень, обробляючи одночасно безліч можливостей, що потенційно дозволяє розв’язувати певні проблеми експоненційно (тобто у багато разів) швидше, ніж класичні комп’ютери.
Квантові обчислення та традиційні обчислення мають кілька важливих відмінностей:
| Квантові обчислення | Класичні обчислення |
| Обчислюють за допомогою кубітів, які можуть представляти 0 і 1 одночасно | Обчислюють за допомогою транзисторів, які можуть представляти 0 або 1 |
| Продуктивність зростає експоненційно пропорційно кількості кубітів | Продуктивність зростає у співвідношенні 1:1 з кількістю транзисторів |
| Квантові комп’ютери мають високий рівень помилок і повинні працювати в умовах наднизьких температур | Класичні комп’ютери мають низький рівень помилок і можуть працювати при кімнатній температурі |
| Найкраще підходять для таких завдань як оптимізація, аналіз даних та моделювання | Більшість повсякденних обчислень краще виконуються класичними комп’ютерами |
Народження та еволюція квантових технологій
Ідея побудувати систему, що здатна використовувати закони квантової фізики на вирішення найскладніших завдань, виникла 1980-х роках. Одним із перших кроків стало відкриття квантових алгоритмів, серед яких особливе місце посідає робота Пітера Шора з MIT у 1990-х: його алгоритм показав, що квантовий комп’ютер теоретично здатний зламувати сучасні криптографічні системи, започаткувавши дискусії про «квантовий апокаліпсис» у сфері кібербезпеки.
З початку 2000-х років розвиток квантових обчислень перетворився на стратегічний напрямок для провідних корпорацій та дослідницьких центрів. З’явилися перші прототипи квантових процесорів на основі різних технологій: надпровідників, іонних пасток, фотонів та нейтральних атомів. Це започаткувало гонку між лідерами квантових обчислень — Google, IBM, Microsoft, Intel, IonQ та іншими компаніями, кожна з яких прагне створити стійку систему на сотні тисяч кубітів.
Сьогодні ми перебуваємо у фазі, яку експерти називають «ера квантової корисності». Це означає, що у низці спеціалізованих завдань (наприклад, моделювання молекул, оптимізація логістичних процесів, квантова криптографія) квантові алгоритми починають перевершувати класичні методи. До того ж дослідники активно вивчають інтеграцію квантового штучного інтелекту (квантового ШІ), який може поєднати можливості машинного навчання та квантової фізики для вирішення завдань нового рівня складності.
Таким чином, майбутнє квантових обчислень пов’язують не тільки зі зростанням потужності квантових машин, але і з їх реальним застосуванням у науці, промисловості та захисті інформації.
Переваги та обмеження квантових обчислень
Квантові комп’ютери — не просто швидші версії звичних обчислювальних систем. Вони працюють на зовсім інших принципах, що дає їм унікальні переваги і водночас накладає певні обмеження.
Переваги квантових обчислень
Квантові комп’ютери здатні докорінно змінити підхід до вирішення складних завдань завдяки ряду своїх властивостей.
- Висока швидкість обчислень. Квантові системи здатні обробляти величезну кількість варіантів розв’язання задачі одночасно, а це дозволяє вирішувати проблеми, які раніше вважалися нерозв’язними. Наприклад, квантовий комп’ютер Sycamore від Google свого часу за лічені секунди впорався із завданням, для якого суперкомп’ютеру Frontier знадобилося б 47 років.
- Новий рівень аналізу даних. Квантові комп’ютери здатні виявляти неочевидні зв’язки та закономірності у величезних масивах інформації, будь то дані про поведінку клієнтів, медичні дослідження чи логістика.
- Неймовірна точність. Квантові комп’ютери обіцяють більш точні розрахунки, ніж класичні обчислювальні системи, що є критично важливим, наприклад, для фінансового прогнозування або наукових досліджень. А поєднання квантових та класичних методів вже сьогодні дозволяє отримувати прогнози з більш високою точністю.
- Прискорення розвитку ШІ. Штучний інтелект, зокрема великі мовні моделі (LLM), потребує величезних обсягів даних та великих обчислювальних потужностей для навчання. Квантові обчислення можуть суттєво скоротити час та вартість цього процесу. Вони здатні швидко створювати високоякісні синтетичні дані та прискорювати складні розрахунки, що дозволить розробляти більш досконалі та ефективні моделі ШІ.
Обмеження квантових обчислень
Попри на переваги, квантові комп’ютери стикаються із серйозними труднощами, які поки що не дозволяють їм стати масовими.
- Складність виробництва. Досі це найскладніший технологічний процес, який поки що не налагоджений у промислових масштабах. А для програмування потрібні принципово нові підходи та мови програмування.
- Квантовий шум. Так називають будь-які зовнішні впливи — від коливань температури до вібрацій та електромагнітних полів, які можуть зруйнувати крихкий квантовий стан кубітів. Навіть незначні перешкоди призводять до помилок у розрахунках. Щоб мінімізувати шум, квантові комп’ютери зберігають за спеціальних умов: охолоджують до температур, близьких до абсолютного нуля (−273.15°C), і поміщають у спеціальні установки, що екранують. Створення такого середовища робить квантові комп’ютери громіздкими та дуже дорогими.
Ці чинники, поряд із високою вартістю, уповільнюють впровадження квантових обчислень у повсякденне життя. І хоча ми говоримо про технологію майбутнього, її широке поширення безпосередньо залежить від того, наскільки успішно вчені зможуть упоратися із цими двома глобальними проблемами.
Ключові гравці, які рухають інновації у квантових обчисленнях
Світовий ринок квантових технологій перебуває в активній фазі розвитку, і лідери ринку демонструють конкретні досягнення.
Google Quantum AI
Тут зосередилися створення квантових систем на вирішення завдань, недоступних класичним суперкомп’ютерам. Два роки тому компанія представила свій новий процесор Willow на 105 кубітів і анонсувала план створення системи з мільйона кубітів до кінця десятиліття. Зараз у Google розробляють методи квантової корекції помилок, які мають забезпечити «корисну квантову перевагу» в хімії, матеріалознавстві та машинному навчанні.
Microsoft
Компанія робить ставку на фундаментально нову архітектуру — майоранівські ферміони як основу для топологічних кубітів. Минулого року було представлено чіп Majorana 1, який використовує концепцію Topological Core, де інформація зберігається нелокально, що теоретично підвищує стійкість системи до шуму. Компанія планує створити мільйон кубітів на компактній платформі, щоб більш ефективно використовувати квантові обчислення у криптографії, логістиці та фармацевтиці.
IBM Quantum
Цей підрозділ рухається шляхом масштабування вже перевіреної технології надпровідникових кубітів. Раніше тут представили квантові процесори Osprey (433 кубіти) та Heron (133 кубіти), які значно перевершують своїх попередників у кількості помилок. У довгостроковій IBM планує створити 100 000-кубітний квантовий суперкомп’ютер у найближчі десять років та інтегрувати його з класичними HPC-системами. А нещодавно IBM анонсувала хмарний доступ до своїх квантових процесорів через платформу IBM Quantum Experience. Очікується, що до 2029 року компанія створить систему, що управляє 100 мільйонами вентилів на 200 логічних кубітах.
Pasqal
Французький стартап активно розвиває технологію квантових комп’ютерів з урахуванням нейтральних атомів. Ця архітектура вважається більш масштабованою, ніж надпровідникові кубіти, і підходить для завдань у моделюванні фізичних процесів та оптимізації. Нещодавно компанія залучила $100 млн інвестицій, а пізніше оголосила про плани об’єднати квантові потужності в хмарі для індустріальних клієнтів.
Серед інших помітних гравців на ринку квантових обчислень: Intel, D-Wave Systems, IonQ, Rigetti Computing, Honeywell Quantum Solutions, PsiQuantum, Atom Computing, Xanadu та Infleqtion. За масштабами розвитку квантових обчислень та інвестицій у них лідирують США та Китай — перший утримує першу позицію за кількістю стартапів та обсягами приватних інвестицій, тоді як другий — за кількістю патентів у цій сфері.
Огляд квантового апаратного та програмного забезпечення
Системи квантових обчислень включають як спеціалізовані апаратні, і програмні компоненти. Щодо квантового 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 нанопроводи, з’єднані у формі H, де кожна H містить чотири контрольовані майорани й 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.
Потенційні сфери застосування квантових обчислень
Квантові обчислення дозволяють вирішувати завдання, які неможливо вирішити за допомогою інших технологій. Про гучні реальні кейси ми почуємо дуже скоро, а поки що ми сформували перелік напрямків, де застосування квантових комп’ютерів може змінити ситуацію радикально.
- Відкриття ліків та матеріалознавства. Квантові моделі дозволяють точніше симулювати молекули та прискорити пошук нових препаратів чи матеріалів, особливо використовуючи можливості квантових кубітів.
- Фінансове моделювання та управління ризиками. Квантовий комп’ютер може оптимізувати портфелі, оцінити ризики та підвищити ефективність операцій.
- Оптимізація та ланцюжки поставок. Завдання з безліччю змінних, наприклад, розподіл ресурсів або логістика, можуть бути вирішені швидше завдяки квантовому прискоренню — особливо з використанням гібридних алгоритмів
- Квантовий ШІ. Інтеграція квантових обчислень та ШІ відкриває можливості для прискорення навчання нейромереж та покращення виявлення закономірностей у великих даних.
- Квантова криптографія та безпека. Такі технології, як квантове розподілення ключів, створюють стійкий захист від загроз майбутніх квантових комп’ютерів.
- Моделювання клімату та прогнози. Квантові системи можуть точніше моделювати динамічні природні процеси, що особливо важливо для кліматичних та метеорологічних завдань.
- Автомобільна галузь та мобільність. Квантові обчислення застосовують у оптимізації трафіку, проєктуванні батарей та автономних систем.
Перші результати вже є. Наприклад, автоконцерн Honda спільно з компанією-розробником квантового ПЗ BlueQubit успішно класифікували зображення доріг, досягнувши дуже високої точності – до 94%. IBM просуває платформу Quantum Safe для захисту даних від ризиків, пов’язаних з розвитком квантових технологій. А американська біотехнологічна компанія Moderna разом із IBM вже тестує квантові алгоритми (VQA) для прискорення розробки mRNA-вакцин.
Поточний стан квантової індустрії та виклики
Промисловість квантових обчислень все ще знаходиться на ранніх стадіях зрілості, але швидко розвивається. Хоча квантові комп’ютери з’являються в новинах завдяки вирішенню певних проблем, поточний стан квантових обчислень показує, що вони ще не готові до запуску великомасштабних моделей ШІ або обробки величезних обсягів даних, необхідних багатьох алгоритмів машинного навчання/ШІ. Деякі експерти прогнозують, що може знадобитися ще 15-20 років, перш ніж квантовий штучний інтелект стане масовим. Але галузь має й інші виклики.
- Квантова безпека. Потенціал квантових комп’ютерів зламувати існуюче шифрування наголошує на критичну необхідність переходу до стандартів квантово-стійкої криптографії. Цей перехід є важливим для збереження цілісності механізмів цифрової довіри. Експерти очікують, що повна інтеграція квантово-безпечних стандартів триватиме 12 років.
- Масштабування кубітів та керування помилками. Компанії все ще працюють над масштабуванням кількості фізичних кубітів та оптимізацією їхньої взаємодії. Основне завдання — знизити рівень шуму та чутливості до тепла, щоб перейти до більш стійких до відмови квантових комп’ютерів.
- Стабільність та контроль апаратного забезпечення. Все ще існує проблема точності його роботи та потенційної здатності до масштабування. Інженерам ще доведеться вирішити такі завдання, як точний контроль кубітів у великих масштабах та охолодження мільйонів кубітів одночасно.
- Незрілість квантових алгоритмів та квантового ПЗ. Більшість квантових алгоритмів існують лише в теорії, а не реалізовані на квантових комп’ютерах. Сьогоднішні квантові обчислення досі покладаються на класичні обчислювальні мережі та протоколи для функцій та зменшення помилок. Складність управління та кількість областей, що потребують вирішення економічної життєздатності квантових обчислень, все ще розглядаються.
- Дефіцит талантів. На ринку зберігається гостра нестача кваліфікованих кадрів і навряд чи найближчим часом буде закрито хоча б половину вакансій у квантовій сфері. Тому так важливо забезпечити можливість отримати якісну освіту у галузі квантових обчислень.
Попри на ці виклики, квантові технології продовжують розвиватись. Вже є невеликі прориви у пом’якшенні та корекції помилок. А розвиток квантової екосистеми й поява нових варіантів використання незабаром може принести відчутну цінність для різних галузей економіки. Тому важливо інвестувати у квантові технології сьогодні, щоб залишатися інноваційними та конкурентоспроможними.
Chief Operating Officer Colobridge, Андрій Михайленко:
«Абсолютна більшість завдань, що навіть тих, що потребують значних обчислювальних потужностей, все ще можна вирішити без квантових технологій. Сьогодні ви можете вибрати Colobridge як технологічного партнера, у якого можна отримати всі необхідні хмарні або інфраструктурні продукти, великий вибір aaS-рішень, ШІ-інструменти для гіперперсоналізації в рамках нашого дочірнього проєкту Beinf.ai плюс глибоку експертизу, яка підкріплюється більш ніж 15-річним досвідом».
Основи квантових обчислень: найголовніше
- Квантові обчислення використовують закони квантової механіки для вирішення завдань, недоступних класичним комп’ютерам.
- Основний елемент — кубіт, який може бути одночасно в станах 0 і 1 завдяки суперпозиції.
- Заплутаність дозволяє кубітам працювати узгоджено, різко збільшуючи обчислювальні потужності.
- Продуктивність квантових обчислень зростає експоненційно з кількістю кубітів.
- Технології кубітів включають надпровідники, іонні пастки, фотони та нейтральні атоми.
- Головні відмінності із класичними системами: високий рівень помилок та необхідність екстремально низьких температур.
- Квантові комп’ютери особливо перспективні для оптимізації, моделювання, аналізу великих даних та квантового ШІ.
- Вже зараз створюються прототипи з сотнями кубітів, і очікується перехід до мільйонів кубітів у найближчі десятиліття.
- Квантові технології можуть дати швидкий приріст вирішення завдань у науці, бізнесі та кібербезпеці.
Отримайте консультацію щодо вибору найкращого IT-рішення для вашого бізнесу — напишіть спеціалістам Colobridge, щоб підготувати свою інфраструктуру до майбутніх викликів, зокрема числі пов’язаних із розвитком квантових обчислень.
